ББК 57.026 Э 40
Рецензенты: кафедра экологических основ природопользования Санкт-Петербургского технического университета, зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. М. П. Федоров;
Международный центр «Биоэкологический контроль», ген. директор, д-р биол. наук, проф. Э. И. Слепян
Авторы: Л. И. Цветкова, М. И. Алексеев,
Ф. В. Кармазинов, Е. В. Неверова-Дзиопак,
Э----------------------------- Без объявл. ББК 57.026
050(01 )-99
ISBN 5 - 93093 - 096 - 1 © Л. И. Цветкова, М. И. Алексеев,
Ф. В. Кармазинов, Е. В. Неверова-Дзиопак, Б. П. Усанов, Л. И. Жукова, 2001 © А. П. Малиновская, художник, 2001 © О. Л. Малиновская, дизайнер, 2001
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ко второму изданию................................................. 6
Введение...................................................................................... 13
Часть I. Основы общей экологии
Глава 1. История экологии
1.1. Зарождение основ экологии.................................... 18
1.2. Появление науки экологии....................................... 24
1.3. Современная экология............................................ 28
Контрольные вопросы...................................................... 35
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
2.1. Предмет экологии.................................................... 38
2.2. Свойства и функции экосистем................................ 46
2.3. Саморегуляция и стабильность экосистем.............. 56
2.4. Экологические сукцессии ........................................ 64
2.5. Примеры экосистем................................................. 71
Контрольные вопросы..................................................... 85
Глава 3. Энергия в экосистемах
3.1. Преобразование энергии в экосистемах.................. 88
3.2. Потоки энергии в пищевых цепях........................... 102
3.3. Использование энергии ........................................ 116
Контрольные вопросы и упражнения............................. 128
Глава 4. Круговорот веществ
4.1. Глобальный круговорот веществ.......................... 132
4.2. Циклы газообразных веществ................................ 138
4.3. Осадочные циклы.................................................. 149
4.4. Возврат веществ в круговорот.............................. 159
Контрольные вопросы.................................................. 164
Глава 5. Экологические факторы
5.1. Среда обитания и условия существования............ 168
5.2. Экологическая пластичность................................ 182
5.3. Лимитирующие факторы........................................ 186
з
5.4. Взаимодействие и компенсация факторов............. 192
5.5. Антропогенные лимитирующие факторы .............. 196
Контрольные вопросы.................................................... 201
Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере
6.1.Биосфера - живая оболочка Земли....................... 204
6.2. Биосфера и космос............................................... 213
6.3. Живое вещество.................................................... 216
6.4. Эволюция биосферы............................................. 221
Контрольные вопросы.................................................... 229
Глава 7. Методы изучения экосистем
7.1. Натурные наблюдения, и эксперименты................. 232
7.2. Моделирование..................................................... 238
7.3. Схема системного исследования........................... 249
Контрольные вопросы................................................... 255
Часть II. Основы прикладной экологии
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
8.1. Демографические проблемы................................. 258
8.2. Энергетические проблемы..................................... 272
8.3. Загрязнение воздуха.............................................. 288
8.4. Загрязнение воды.................................................. 304
8.5. Деградация наземных экосистем........................... 316
Контрольные вопросы................................................... 325
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
9.1. Состояние биосферы и болезни............................ 328
9.2. Биологические факторы риска............................... 331
9.3. Химические факторы.............................................. 335
9.4. Физические факторы.............................................. 340
9.5. Добровольный риск............................................... 350
Контрольные вопросы.................................................. 359
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
10.1. Основы экологического права............................ 362
10.2. Гигиеническое нормирование.............................. 374
10.3. Экологическое нормирование............................. 388
10.4. Регламентация выбросов загрязнений
в окружающую среду.......................................... 400
Контрольные вопросы и упражнения............................. 411
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
11.1. Мониторинг......................................................... 414
11.2. Экономические аспекты охраны природы........... 430
11.3. Инженерная защита окружающей среды............. 446
11.4. Принятие решений и управление......................... 468
11.5. Международное сотрудничество........................ 473
Контрольные вопросы................................................... 483
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
12.1. Конфликт между обществом и природой............ 486
12.2. Концепции и глобальные модели будущего мира 491
12.3. Программа на XXI век.......................................... 500
Контрольные вопросы.................................................... 511
Заключение................................................................................ 512
Список использованной литературы........................................... 518
Основные термины и понятия..................................................... 523
Список аббревиатур................................................................... 545
Об авторах................................................................................. 548
About Authors.............................................................................. 550
Предисловие ко 2-му изданию
Авторы благодарны всем рецензентам и, в первую очередь, коллективу кафедры экологических основ природопользования Санкт-Петербургского государственного технического университета: зав. кафедрой д-ру техн. наук, проф. М. П. Федорову, канд. биол. наук, доц. Н. Н. Ролле, канд. биол. наук, доц. М. Б. Шилину, д-ру биол. наук, проф. Э. И. Слепяну и др.
Чрезвычайно полезными были отзывы и замечания специалистов, поступившие после выхода в свет первого издания учебника: академика РАН К. Я. Кондратьева, д-ра техн. наук, проф. А. А. Музалевского, д-ра биол. наук, проф. Государственной лесотехнической академии В. А. Соловьева, зав. кафедрой промышленной экологии Московского государственного индустриального университета проф. Е. А. Резчикова и др., которым авторы также очень признательны.
Рецензенты отметили, что дискуссионный характер некоторых положений вполне оправдан стремительным развитием науки экологии на современном этапе. Они обратили внимание на необходимость создания в будущем единой терминологии, которая облегчала бы взаимопонимание специалистов естественнонаучных и технических направлений.
Авторы считают необходимым подчеркнуть, что в издании учебника неоценимую помощь оказало ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», без поддержки которого ни первое, ни второе издание книги было бы невозможно. Кроме того, авторы благодарят сотрудников АО «Балтвод» и кафедры водоотведения и экологии СПб ГАСУ за помощь, оказанную при подготовке учебника к изданию.
Мы будем признательны читателям за отзывы, пожелания, критические замечания и полезные советы.
ВВЕДЕНИЕ
Во второй половине XX столетия слово экология стало модным. Любой исследователь или специалист, желающий быть современным, занимается экологией. Но экологические проблемы, которые интересуют биолога, отличаются от проблем, рассматриваемых физиком, инженером, экономистом, юристом или социологом. Каждый из них вкладывает в это слово до такой степени различный смысл, что непосвященному человеку трудно определить, чем занимается экология и что это за наука?
Термин ЭКОЛОГИЯ (гр. oikos - дом, жилище, родина, logos - учение, наука)
ввел в 1 866 г. немецкий биолог Эрнст Геккель, который выделил в самостоятельную науку и назвал этим словом раздел биологии, изучающий совокупность взаимосвязей между живыми и неживыми компонентами природной среды.
Экология имеет общий корень со словом экономика, которое буквально означает «искусство ведения домашнего хозяйства». К сожалению, экономика иногда вступает в противоречие с экологией. Стремясь к сиюминутным экономическим выгодам, человек невольно разрушает свой природный дом.
Среди различных материальных «домов», где живет человек, экология имеет дело с величайшим из них - биосферой.
Биосфера(гр. bids - жизнь, sphaira - поверхность шара) - ЭТО ЖИВОЯ
оболочка Земли, т. е. система живых организмов и среды, которая функционирует и развивается как единое целое. Организмы не только приспосабливаются к среде обитания, но и приспосабливают среду к себе, образуя вместе сложную систему регуляции условий, обеспечивающих жизнь на планете. Именно организмы сыграли основную роль в формировании геохимической среды Земли, благоприятной для их существования.
Из всех живых организмов человек более других пытается изменить природу, используя и приспосабливая ее к своим нуждам. С развитием науки и техники люди получают все более мощные
Введение
Введение
орудия воздействия на природу. Это позволяет им вторгаться в микро- и макромиры, во все процессы, протекающие в биосфере. Вот что писал В. И. Вернадский еще в 1925 г.: «Человек уничтожил девственную природу. Он внес в нее массу неизвестных ранее химических соединений и форм жизни - культурных пород животных и растений. Он изменил течение всех геохимических реакций. Лик планеты стал новым и пришел в состояние непрестанных потрясений».
В своей деятельности человек, как правило, не осознает, что нарушает закономерности протекания природных процессов, вызывает нежелательные для себя изменения и не предвидит последствия.
До некоторых пор природные механизмы саморегуляции биосферы компенсировали возмущающие антропогенные (гр. anthropos - человек, genos - происхождение) воздействия, однако, на современном этапе развития планеты система производства и размах человеческой деятельности достигли масштабов, сопоставимых с масштабами природных явлений. По словам В. И. Вернадского, «человечество стало геологической силой, сравнимой с силами самой природы». Действительно, подземные ядерные взрывы по мощности сравнимы со слабыми и средними сейсмическими толчками; аварии на атомных электростанциях; утечки ядовитых веществ на химических заводах; потери вредных веществ при транспортировках и хранении и т. п. - все эти техногенные катастрофы, не говоря уже об угрозе ядерной войны, вполне сопоставимы с крупными природными катаклизмами.
Разрушительная деятельность человека уже сейчас часто превышает возможности биосферы компенсировать антропогенные воздействия и порождает конфликт между обществом и природой, создает проблемы, которые получили название экологических.
В последний, наиболее краткий период своей истории человечество достигло такой численности и приобрело такую техногенную мощь, что стало представлять потенциальную опасность для жизни на Земле. Экологический кризис - это не только угроза дикой природе и загрязнение. Кризис касается и самих людей и
ставит вопрос о том, что мы должны изменить в себе, чтобы выжить.
Эволюция природных процессов и явлений, в том числе и человека, в конечном счете вызвала озабоченность мирового сообщества судьбой биосферы, представляющей собой ныне нераздельное единство природных, техногенных и духовных элементов. Поэтому угроза существованию земного дома связана с угрозой разрушения и дома духовного.
Изучение экологии отличается от изучения других дисциплин, например, химии, биологии, математики, гидравлики или экономики. Почему? Потому, что это междисциплинарная наука, требующая знания естественных (биология, геология, химия, физика, география и др.), технических (безотходые технологии, материаловедение, энергетика и др.) и социальных (экономика, политика, этика и др.) наук для понимания общих закономерностей природных, техногенных и социальных глобальных процессов и нашей роли в этом мире.
Решение экологических проблем требует огромной работы во всех областях науки и техники. И теоретическим фундаментом всей природоохранной деятельности является наука экология. Только знание объективных законов развития природных, техногенных и социальных процессов позволит поладить с природой и разрешить социальные конфликты. Природоохранные мероприятия, не обоснованные научно, бесполезны, а иногда даже вредны, как в экологическом, так и в экономическом отношении, а их реализация создает лишь иллюзию защиты природы и здоровья человека.
Экологические проблемы являются общечеловеческими, так как биосфера не признает государственных границ. Общечеловеческие проблемы порождают и общечеловеческие задачи. Сохранить жизнь на Земле - более важной задачи перед человечеством не стоит.
Фундаментальные естественнонаучные дисциплины в технических вузах традиционно были представлены лишь физико-математи-
Введение
ческими и химическими науками, такими как математика, физика, химия, информатика, теоретическая механика и т. п. Теперь в цикл этих дисциплин введена экология, так как в современных условиях необходима ликвидация пробела в фундаментальном образовании с целью повышения экологической грамотности в контексте общечеловеческой культуры и цивилизации.
Новая дисциплина для студентов технических направлений и специальностей призвана:
- познакомить студентов с основами фундаментальной экологии;
- изменить природопотребительскую психологию людей;
- способствовать формированию экологического мировоззрения и представлений о человеке как части природы;
- научить видеть последствия влияния профессиональной деятельности на окружающую среду и здоровье человека;
- убедить в необходимости научно обосновывать природоохранные мероприятия;
- научить находить пути компромисса между экономическими и экологическими интересами людей;
- помочь осознать ценность всего живого и невозможность выживания человечества без сохранения биосферы;
- попытаться научить переводить первозданные природные
богатства в категорию экономических ценностей.
Авторы не считают, что целью обучения является усвоение максимально большого объема информации. Полезнее научиться «просеивать» горы информации и различных точек зрения на события, чтобы найти правильные решения локальных, национальных и глобальных проблем. Авторы не претендуют на исключительность предложенных ими концепций. Студенты могут не всегда соглашаться с тем, что излагается в учебнике, но они должны научиться обосновывать свою позицию.
часть I ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ
ГЛАВА 1
ИСТОРИЯ ЭКОЛОГИИ
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
2.1. ПредметВо второй главе этой книги дан ответ на воп-экологиирос, что является предметом науки экологии. Определить предмет экологии позволяет концепция организации живой оболочки Земли - биосферы. Биосфера состоит из биологических систем - биосистем разного уровня сложности и организации.
Биосистемы- это природные системы, в которых живые компоненты, называемые биотическими,упорядоченно взаимодействуют с неживой физической средой, т. е. абиотическими компонентами,составляя с ними единое целое. Биосистемы связаны между собой иерархической структурой, образуя как бы «служебную лестницу жизни».
Согласно современным представлениям на «лестнице жизни» выделяют шесть ступенек, которые гипотетически могут быть продолжены и вверх, и вниз (рис. 2.1).
Абиотические компоненты
Рис. 2.1. Иерархия уровней организации живой материи: 1 - генетические системы; 2 - клеточные системы; 3 - системы органов; 4 - системы организмов; 5 - па пуляционные системы; 6 - экологические системы (экосистемы)
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
По мере продвижения биосистем от низших ступенек к высшим уровень организации входящих в них биотических компонентов усложняется: гены, клетки, органы, организмы, популяции, сообщества. Абиотические компоненты на всех уровнях представлены веществами и энергией, которые формируют все факторы неживой физической среды.
Биотические и абиотические компоненты вместе образуют соответствующие биосистемы, расположенные снизу вверх в следующем порядке: 1) генетические системы, 2) клеточные системы, 3) системы органов, 4) системы организмов, 5) популяционные системы, 6) экологические системы, или экосистемы.
Деление иерархии на ступени условно, так как каждый уровень взаимосвязан с соседними уровнями в функциональном смысле. Например, гены не могут функционировать в природе вне клетки, клетки многоклеточных - вне органов, органы - вне организма и т. д. Иными словами, системы низших ступеней (подсистемы) интегрированы в системы высших ступеней (надсис-темы). Экосистема не жизнеспособна без взаимосвязи с популяционными системами и биосферой в целом. В то же время сообщество не может жить, если в нем не происходит круговорот веществ и не поступает энергия извне, т.е. отсутствуют абиотические компоненты. Все экосистемы вместе образуют биосферу Земли.
Биосистемы разных уровней являются предметом изучения различных дисциплин: генетические системы изучает генетика
(гр. genelikos - наследственный), КЛвТОЧНЫв - ЦИТОЛОГИЯ(гр. kytos - клетка),
органы - физиология(гр. physis - природа, природные функции), отдельные разделы медицины и др. Более высокоорганизованные системы уже не укладываются в рамки одной дисциплины. Организмы, например, рассматривают разнообразные разделы ботаники И зоологии: альгология(лат. alga - водоросль), микробиология(гр. mikros - малый), МИКОЛОГИЯ(гр. mykes - гриб), ИХТИОЛОГИЯ(гр. ichthys - рыба), ОРНИТОЛОГИЯ(гр. ornis - птица), антропология(гр. antropos - человек) И Т. П.
3 9
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Системы, которые расположены выше уровня организмов: по-пуляционные системы, экосистемы, биосферу в целом - изучает экология.
Главная цель экологии - узнать, как работают экосистемы биосферы.
Обычно ученые изучают это, исследуя природные (леса, пустыни, степи, озера, реки, океаны) или созданные человеком (сельскохозяйственные поля, поселки, города) экосистемы. Какие организмы обитают в экосистемах? Каким образом они получают необходимые для жизни ресурсы веществ и энергии? Как эти организмы взаимодействуют друг с другом и с окружающей их неживой
4 2
природой? Какие изменения будут происходить в экосистемах с течением времени? Экология пытается получить ответы на эти и другие вопросы о функционировании экосистем.
Для решения экологических проблем глобального уровня прежде всего надо изучить экосистемный уровень организации жизни.
■ Состав экосистемы,как сказано выше, представлен двумя группами компонентов: абиотическими - компонентами неживой природы и биотическими - компонентами живой природы.
Абиотические компоненты- это химические и физические элементы неживой природы:
- неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и неживой материей: диоксид углерода, вода, кислород, кальций, магний, калий, натрий, железо, азот, фосфор, сера, хлор и др.;
- органические вещества, связывающие абиотическую и биотическую части экосистем: углеводы, жиры, аминокислоты, белки, и др.;
- поток энергии;
- воздушная, водная или твердая среда обитания;
- климатический режим: солнечный свет, испарение, ветер, температура, влажность, осадки, водные течения и др.
Биотические компонентысостоят из трех функциональных групп организмов (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Биотические компоненты экосистем
Первая Группа организмов - продуценты (лат. producens - создающий, производящий), ИЛИ автотрофные Организмы(гр. autos - сам, trophe - пища),
т. е. «сами являющиеся пищей».
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Продуценты, или автотрофы- это такие организмы, которые в качестве питательного материала используют простые неорганические вещества: воду, углекислый газ, нитраты, фосфаты и др. В качестве энергетического материала продуценты используют либо солнечный свет, либо энергию химических реакций. Они подразделяются на фото- и хемоавтотрофов.
Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала - в основном углекислый газ и воду. К этой группе организмов относятся все зеленые растения и некоторые бактерии. В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органические вещества -углеводы, или сахара (СН20)п, которыми питаются животные:
Хемоавтотрофы используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях. К этой группе принадлежат, например, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой и затем азотной кислоты:
Химическая энергия [Qj, выделенная при этих реакциях, используется бактериями для синтеза органических веществ.
Главная роль в создании органических веществ принадлежит зеленым растительным организмам. Роль хемосинтезирующих бактерий в этом процессе относительно невелика. Каждый год фотосин-тезирующими организмами на Земле создается около 150 млрд т органического вещества, аккумулирующего солнечную энергию.
Вторая группа ОргаНИЗМОВ - КОНСуменТЫ(лат. consume - потреблять), ИЛИ гетеротрофные ОргаНИЗМЫ(гр. heteros - другой, trophe - пища), Т. е.
«питающиеся другими».
Консументы, или гетеротрофыиспользуют в качестве источника и энергии, и питательного материала готовое органическое вещество. Консументы осуществляют процесс разложения органических веществ. Их делят на фаготрофов (гр. phagos - пожирающий) и сапротрофов (гР. sapros - гнилой).
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Фаготрофы питаются непосредственно растительными или животными организмами. К ним относятся в основном крупные животные - макроконсументы.
Сапротрофы используют для питания органические вещества мертвых остатков. К этой группе относятся как мелкие организмы (муравьи, черви и др.), так и крупные животные (гиены, шакалы, вороны и др.).
Третьягруппаорганизмов - редуценты(лат. reductio - восстановление), ИЛИ Деструкторы (лат.destruclio - разрушение).
Редуценты, или деструкторы - это консументы, участвующие в последней стадии разрушения, т.е. в минерализации органических веществ, которые они восстанавливают до неорганических соединений (С02, Н20 и др.). Редуценты очищают природную среду от отходов, они возвращают вещества в круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов. Таким образом жизненный цикл возобновляется.
К редуцентам относятся главным образом микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.) - микроконсументы. Их выделяют в отдельную группу потому, что роль редуцентов в круговороте веществ чрезвычайно велика. Без них в биосфере накапливались бы груды органических остатков; иссякли бы запасы минеральных веществ, необходимых продуцентам, и жизнь в той форме, которую мы знаем, прекратилась бы.
Пространственная структура экосистемобусловлена тем, что процессы образования и разложения органических веществ, т.е. автотрофные и гетеротрофные процессы, обычно разделены в пространстве. Первые активно протекают в верхних слоях, куда проникает солнечный свет, а вторые интенсивнее в нижних слоях экосистем: почвах, донных отложениях. Кроме того, эти процессы разделены во времени, поскольку существует временной разрыв между образованием органических веществ растениями и разложением их животными организмами.
Например, в пологе леса лишь небольшая часть зеленой массы немедленно используется животными, паразитами и насекомыми.
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Большая часть образованного материала (листья, древесина, семена, корневища и др.) не потребляется сразу и переходит в почву или в донные осадки. Могут пройти недели, месяцы, годы или даже тысячелетия, прежде чем накопленное органическое вещество будет использовано.
Следовательно, с точки зрения пространственной структуры, в природных экосистемах можно выделить два яруса:
верхний, автотрофный ярус, или «зеленый пояс» Зем
ли,который включает растения или их части, содержащие хло-
рофилл; здесь преобладают фиксация света, использование
простых неорганических соединений и синтез органических ве
ществ, т.е. накопление солнечной энергии в сложных фотосинте-
зируемых веществах;
нижний, гетеротрофный ярус, или «коричневый пояс» Земли,представлен почвами в наземных экосистемах и донными осадками - в водных. В них преобладают процессы разложения мертвых органических остатков растений и животных.
Живые и неживые компоненты экосистем так тесно переплетены друг сдругом в единый комплекс, что разделить их крайне трудно. Большая часть входящих в состав живых организмов химических ' элементов и органических соединений, называемых биогенными веществами,встречается как внутри, так и вне живых организмов и образует постоянный поток между живым и неживым. В то же время некоторые вещества могут принадлежать только одному из этих состояний. Например, АТФ-азы (аденозинтрифосфатазы) встречаются только в живых клетках, ДНК (дезоксирибонуклеиновая кис- лота) и хлорофилл не функционируют вне живых клеток, а гумус никогда не встречается в организмах.
2.2. СвойстваЭкосистемы, как и популяционные системы, и функциипомимо «биологических свойств», присущих экосистемотдельным организмам, обладают рядом признаков, характеризующих сообщество в целом, называемых совокупными свойствами. Кроме того, они характеризуются
качественно новыми уникальными свойствами, отсутствующими у популяционных систем, входящих в их состав.
□ Свойства экосистем,таким образом, можно разделить на две группы: совокупные и качественно новые свойства.
Совокупные свойстваскладываются из свойств отдельных подсистем, входящих в экосистему, представляют собой сумму свойств отдельных компонентов и не характеризуют уникальные особенности, возникающие при функционировании системы как целого. Рождаемость - пример совокупного свойства, характеризующего сумму рождений отдельных организмов. К совокупным свойствам относятся также площадь обитания биоценоза, плотность организмов, их общая численность, смертность и т. д.
Помимо совокупных свойств, как сказано выше, каждая экосистема приобретает уникальные, качественно новые свойства, называемые эмерджентными (англ. emergent - неожиданно возникающий, появляющийся).
Эмерджентные свойстваявляются следствием иерархической организации живой природы. По мере объединения подсистем в более крупные функциональные единицы у этих новых систем возникают уникальные свойства, которых не было на предыдущем уровне. Эти качественно новые свойства нельзя предсказать на основании свойств подсистем низшего порядка, составляющих систему следующего, более высокого уровня организации.
Для иллюстрации эмерджентных свойств можно привести пример из химии. Водород и кислород, соединяясь в определенном соотношении, образуют воду - жидкость, совершенно не похожую ни на водород, ни на кислород, свойства которой невозможно предсказать, исходя из свойств исходных газов. Так же и в человеческом сообществе. Психология толпы не есть сумма психологических портретов отдельных людей. Поведение человека вне толпы отличается от его поведения в окружении массы людей. Ч. Айтматов (2000 г.) пишет: «Если взять отдельного человека, то сам по себе он безопасное существо. Но как только люди собираются в большие группы, нации, этносы и вооружаются экстремистскими
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
идеями, начинают действовать разрушительные силы толпы, скоторой вести диалог уже невозможно».
Отличительной особенностью эмерджентных свойств является то, что их нельзя свести к сумме свойств подсистем, составляющих экосистем - это ее уникальные несводимые свойства.
Хотя данные, полученные при изучении биосистем какого-либо уровня, помогают раскрыть закономерности функционирования биосистем следующего уровня, сих помощью никогда нельзя полностью объяснить явления, происходящие в более высокоорганизованной системе. При каждом объединении подмножеств в новое множество возникает, по крайней мере, одно новое уникальное свойство.
По мере продвижения систем по иерархии уровней организации некоторые признаки становятся более сложными и изменчивыми, другие, наоборот, - менее сложными и менее изменчивыми, поскольку на всех уровнях действуют механизмы, которые корректируют и уравновешивают противодействующие процессы и силы. Амплитуда колебаний свойств при этом имеет тенденцию уменьшаться. Статистический разброс характеристик целого обычно меньше суммы разброса их значений в отдельных частях системы. Например, скорость фотосинтеза лесного сообщества варьирует меньше, чем скорость фотосинтеза отдельных листьев или деревьев. Объясняется это тем, что если в одной части леса фотосинтез снижается, то в другой возможно его усиление.
Американский эколог Ю. Одум (1986) писал: «Хорошо известный принцип несводимости свойств целого к сумме свойств его частей должен служить первой рабочей заповедью экологов». Далее он говорил о том, что если учесть эмерджентные свойства высокоорганизованных систем и усиление компенсационных механизмов на каждом уровне, то станет ясно, что для изучения целого не всегда обязательно знать все его составляющие. Это важно, поскольку некоторые исследователи считают, что не имеет смысла изучать сложные сообщества, не изучив досконально составляющие их компоненты.
Хотя философия науки всегда стремилась рассматривать явления В ИХ цеЛОСТНОСТИ, Т. е. ХОЛИСТИЧеСКИ (rp. hobs - весь, целый),
практика науки последние годы была редукционистской (лат. reductb -
сведение сложного к простому), ПЫТАЯСЬ ПОНЯТЬ ЯВЛеНИЯ Путем Детального
анализа все более и более мелких явлений и компонентов.
Практически использование того или иного подхода зависит от цели исследования и степени взаимосвязанности компонентов. При сильных взаимосвязях качественно новые эмерджентные свойства проявятся только на уровне целого. При редукционистском подходе эти свойства могут быть упущены. Но главное в том, что одни и те же организмы в разных системах могут вести себя совершенно по-разному, так как взаимодействуют с другими компонентами. Например, многие насекомые в агроэкосисте-мах - опасные вредители, а в естественных местообитаниях их численность контролируют конкуренты, хищники и паразиты, которых нет на сельскохозяйственных полях.
□ Образование и разложение органических веществ,или взаимодействие автотрофных и гетеротрофных процессов -наиболее важная функция экосистем, обусловленная именно их эмерджентными свойствами.
Образование органических веществ на светуназывается
фотОСИНТезоМ (гр. photos - свет, synthesis - соединение).
Метаболизм - это совокупность биохимических реакций и превращений энергии в клетках живых организмов, сопровождающихся обменом веществ между организмами и средой.
Сумма реакций, ведущих к распаду или деградации молекул и выделению энергии, называется катаболизмом,а реакций, приводящих к образованию новых молекул, - анаболизмом.
Превращения энергии в биохимических реакциях осуществляются путем переноса электронов с одного энергетического уровня на другой или от одного атома или молекулы - к другим. Вещество, отдающее электроны, называется донором, а принимающее электроны - акцептором.
Энергия органических веществ выделяется в метаболических процессах при дыхании организмов.
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Дыхание - это процесс, в результате которого энергия, выделенная при распаде органических веществ, передается на универсальную энергонесущую молекулу аде-нозинтрифосфорной кислоты (АТФ), где она хранится в виде высокоэнергетических фосфатных связей.
Так, например, при разложении 1 моля глюкозы выделяется 686 ккал свободной энергии (1 ккал = 4,187103 Дж). Если бы эта энергия выделялась быстро, то большая часть ее рассеялась бы в виде теплоты. Это не принесло бы пользы клетке, а привело бы к гибельному для нее повышению температуры. Но в живых системах есть сложные механизмы, которые регулируют многочисленные химические реакции таким образом, Что энергия хранится в химических связях и затем может выделяться постепенно, по мере необходимости.
У млекопитающих, птиц и некоторых других позвоночных теплота, выделяемая при дыхании, тем или иным путем сохраняется, и поэтому температура их тела, как правило, выше температуры окружающей среды. У растений скорость дыхания невелика, поэтому выделяемая теплота обычно не накапливается и не влияет на температуру растений.
Дыхание может происходить в аэробных (в присутствии кислорода) и в анаэробных (бескислородных) условиях.
Аэробное дыхание - процесс, обратный нормальному фотосинтезу, т. е. синтезированное органическое вещество (С6Н1206) вновь разлагается с образованием С02 и Н20 и высвобождением потенциальной энергии Q , аккумулированной в этом веществе. Акцептором электронов является кислород:
С6Н1206 + 602 -> 6С02 + 6Н20 + Q1 при этом Q} = Qпот = 686 ккал/моль.
В отсутствие кислорода процесс может идти не до конца. В результате незавершенного дыхания образуются органические вещества, содержащие некоторое количество энергии, которая может быть использована другими организмами.
Анаэробное дыхание протекает без участия газообразного кислорода. Акцептором электронов служит не кислород, а другое вещество, например, уксусная кислота:
С6Н1206 + СН3СООН -> 4С02 + 4СН4 + О2
При этом Q, < О^, а выделяющийся метан обладает некоторым запасом энергии с/, и может использоваться в качестве топлива или самопроизвольно окисляться и воспламеняться в природе: СН4 + 202 -> СО2 + 2Н20 + q1
Бескислородное дыхание служит основой жизнедеятельности многих сапротрофов (бактерий, дрожжей, плесневых грибков, простейших), но может встречаться и в тканях высших животных.
Брожение - это анаэробное дыхание, при котором органическое вещество само служит и донором, и акцептором электронов: С6Н1206 -> 2С2Н5ОН + 2С02 + Q3
При этом Оэ < С?пот, а образующийся спирт также содержит некоторое количество энергии qv которая может быть использована другими организмами:
C2H5ОН + 302 -» 2С02 + ЗН20 + q2.
Разложение может быть результатом не только биотических, но и абиотических процессов. Так, например, степные и лесные пожары возвращают большое количество С02 и других газов в атмосферу и минеральных веществ в почву. Они - важный, а иногда даже необходимый, процесс в экосистемах с такими физическими условиями, при которых микроорганизмы не успевают разлагать образующиеся органические остатки. Но окончательное разложение отмерших растений и животных осуществляется гетеротрофными микроорганизмами - редуцентами.
Разложение органических веществ есть процесс, в результате которого организмы получают необходимые химические элементы и энергию при преобразовании пищи внутри клеток их тела.
Если бы эти процессы прекратились, то все биогенные элементы оказались бы связанными в мертвых остатках, а продолжение
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
жизни стало бы невозможным. Комплекс разрушителей в биосфере состоит из огромного числа видов, которые, действуя последовательно, разлагают органические вещества до минеральных. Процессы образования органических веществ и их распад
Называют также процессами ПРОДУКЦИИ(лат. productio - создание, производство) И Деструкции(лат. destructio - разрушение).
Продукционно-деструкционный балансв биосфере, называемый также биотическим балансом, зависит от соотношения скоростей автотрофных и гетеротрофных процессов. В течение длительного геологического периода, начиная приблизительно с кембрия (600 млн - 1 млрд лет назад), небольшая, но заметная часть синтезируемого органического вещества не расходовалась, а сохранялась и накапливалась в осадках. Это обусловлено тем, что не все части отмерших растений и животных разрушаются с одинаковой скоростью. Жиры, сахара и белки разлагаются достаточно быстро, а древесина (клетчатка, лигнин), хитин, кости - очень медленно. Наиболее устойчивым промежуточным продуктом разложения Органических веществ ЯВЛЯеТСЯ гумус (лат. humus - почва, перегной),
дальнейшая минерализация которого протекает очень медленно. Медленное разложение гумуса - одна из причин запаздывания деструкции по сравнению с продукцией. С точки зрения химии гумусовые вещества представляют собой продукты конденсации (лат.
condensatio - скопление, уплотнение) ароматическихСоединений (срвНОЛОВ,
бензолов и др.) с продуктами распада белков и полисахаров. Для их расщепления, видимо, требуются специальные ферменты, которые часто отсутствуют у почвенных и водных сапротросров.
Следует заметить, что многие токсичные вещества (гр. loxicon - яд), которые человек вводит в окружающую среду (гербициды, пестициды, промышленные отходы), являются также производными ароматического углеводорода бензола и из-за высокой устойчивости к разложению очень опасны.
В то же время органические вещества могут образовывать безвредные комплексные соединения с некоторыми токсичными веществами. Так, гумусовые вещества могут связывать в комплексы ионы тяжелых металлов и делать их нетоксичными, в отличие от солей тех же металлов. Например, токсичность меди для водорослей коррелируется с концентрацией свободных ионов Си2*, а не с общим содержанием меди. А одно и то же количество меди оказывается менее ядовитым в прибрежных районах, чем в открытом море, где меньше органического вещества, которое могло бы связать металл в безвредные комплексы.
Именно преобладание скорости синтеза над скоростью разложения органических веществ и явилось причиной уменьшения содержания углекислого газа и накопления кислорода в атмосфере.
Это подтверждает хотя бы тот факт, что состав атмосферы Земли резко отличается от условий на других планетах Солнечной системы. Согласно гипотезе Геи, предложенной Дж. Лавло-ком (1979), состав атмосферы «Земли без жизни» приближался бы к составу атмосферы на Марсе или Венере (табл. 2.1).
Таблица 2.1
Сравнение состава атмосферы и температурных условий на Земле и других планетах (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями)
Планета | Содержаниие основных газов в атмосфере, объемные доли, % | Температура поверхности, °С | ||
со2 | N2 | о2 | ||
Марс Венера «Земля без жизни» Земля | 95,0 98,0 98,0 0,03 | 2,7 1,9 1,9 78,09 | 0,13 Следы Следы 20,93 | - 53 -290 |
Таким образом, именно зеленые организмы, поглощая С02 и выделяя 02, сыграли основную роль в формировании геохимической среды Земли, благоприятной для существования других организмов. Значительное количество накопившегося кислорода сделало возможными появление и эволюцию высших форм жизни.
Примерно 300 - 500 млн лет назад отмечался особенно большой избыток органической продукции, что привело к образованию и накоплению в недрах Земли горючих ископаемых. Позже за счет накоплений этой энергии человек смог совершить промышленную революцию.
Соотношение скоростей автотрофных и гетеротрофных процессов может служить одной из главных функциональных характеристик экосистем.
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Соотношение концентраций С02 и 02 отражает соотношение скоростей этих процессов в экосистемах, т. е. соотношение аккумулированной продуцентами и рассеянной консументами энергии. За последние 60 млн лет в атмосфере установилось относительно постоянное содержание 02 (21 %) и С02 (0,03 %).
Соотношение СО2 и 02 в атмосфере характеризует баланс автотрофных и гетеротрофных процессов в биосфере в целой.
При этом в разных экосистемах баланс этих процессов может быть либо положительным, либо отрицательным. Существуют автотрофные экосистемы с преобладанием процессов продукции, т. е. с положительным биотическим балансом (тропический лес, мелкое озеро, агроэкосистема). В гетеротрофных экосистемах преобладают процессы деструкции, т. е. имеет место отрицательный баланс (горная река, город).
Для биосферы в целом важнейшее значение имеет отставание процессов разложения органических веществ от процессов синтеза их зелеными растениями. Именно это отставание обусловило накопление в недрах горючих ископаемых, а в атмосфере - кислорода.
Установившийся в биосфере положительный баланс продукцион-но-деструкционных процессов обеспечивает жизнь аэробных организмов, в том числе и человека. Озабоченность вызывает деятельность человека, который значительно ускоряет процессы разложения, сжигая древесину и органическое вещество, накопленное в горючих ископаемых. В воздух выбрасывается большое количество С02, до этого связанного в угле, нефти, торфе, древесине, что может нарушить биотический баланс в биосфере.
2.3. СаморегуляцияОтносительно стабильное соотношение и стабильностьскоростей автотрофных и гетеротроф-экосистемных процессов на Земле существует благодаря способности экосистем и биосферы к саморегуляции, которая поддерживает экологическое равновесие в биосфере.
□ Саморегуляция экосистемобеспечивается внутренними механизмами, устойчивыми взаимодействиями между их компонентами, трофическими и энергетическими связями.
Экосистемы, популяции и организмы имеют кибернетическую природу(гр. куЬетеНке - искусство управления) и характеризуются развитыми информационными сетями, состоящими из потоков физических и химических сигналов, связывающих все их части в единое целое. Эти потоки («невидимые провода природы») управляют системой, подобно тому, как гормональная и нервная системы связывают все части организма и управляют им.
Для обеспечения работы информационной связи необходимы три элемента: рецептор,который воспринимает сигнал изменения или нарушения в системе; анализатор,который принимает, оценивает и анализирует информацию, посылаемую рецептором, и преобразователь,который изменяет или восстанавливает нарушенное состояние системы и с помощью обратного сигнала подает информацию анализатору.
Например, при повышении температуры тела рецептор кожи посылает информацию по «нервным проводам» в определенный участок мозга - анализатор. Последний, в свою очередь, посылает информацию преобразователю - потовыделяющим железам. Пот испаряется, и организм охлаждается. Когда температура нормализуется, кожные рецепторы посылают новую информацию в мозг, который подает сигнал обратной связи для прекращения потоотделения.
В экосистемах управление также основано на обратных связях, когда часть сигналов с выхода из системы вновь поступает на вход, регулируя состояние системы на выходе. Этот процесс обычно изображают обратной петлей, через которую «стекающая вниз» во вторичную субсистему информация вновь подается на первичную субсистему (рис. 2.5).
Низкоэнергетические сигналы, вызывающие высокоэнергетические реакции, очень распространены в природе. Например, каждый год на планете миллионы людей и животных гибнут от различ-
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
ных инфекций в результате заражения и последующего самозаражения микроскопическими паразитами, составляющими малую долю от потока энергии в экосистемах (0,01 - 0,1 %).
Рис. 2.5. Управляющие механизмы экосистем с помощью обратной связи (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями)
Обратные информационные связинеобходимы для сохранения равновесия в экосистемах. Обратные связи бывают положительными и отрицательными.
Положительная обратная связь является как бы «саморазгоняющейся». Она усиливает однонаправленные изменения в системе дополнительной информацией, поступающей с выхода системы на вход. Например, страна А увеличивает производство вооружения. Это служит сигналом стране Б для выпуска дополнительного вооружения, что является сигналом обратной положительной связи для страны А, которая начинает производить еще больше оружия. Соответственно и страна Б наращивает вооружение и т. д. Этот процесс может продолжаться до тех пор, пока одна или обе страны не обанкротятся или не подорвут себя и соседние страны. Положительная обратная связь может «расшатывать» систему и даже разрушать ее, если не поступят сигналы обратной отрицательной связи. В приведенном примере сигналом отрицательной обратной связи может служить банкротство одной из стран, которое приведет к снижению гонки вооружения в обеих странах.
Положительная обратная информационная связь не всегда губительна. Так, если вы вызываете положительные эмоции у делового партнера, он отвечает вам взаимностью, что вызывает у вас ответную реакцию, деловой интерес возрастает у обоих компаньонов и т. д. Положительная обратная связь усиливает положительные отклонения и в значительной степени определяет рост и выживание организмов, хотя может приводить и к нарушению равновесия. Для осуществления контроля необходима отрицательная обратная связь.
Отрицательная обратная связь - это поток информации в систему, противодействующий изменениям внешних условий. Она помогает избегать перегрева организма или термостата, перепроизводства продукции, перенаселения и т. д. Устройства для управления с помощью обратной связи в технике называют сервомеханизмами. Для живых систем используют термин гомеостатические
механизмы, ИЛИ ГОМеОСТаЗ (гр. homos - одинаковый, stasis - состояние), Т. е.
механизмы, поддерживающие стабильное состояние.
Сервомеханизмы,как и отдельные организмы, имеют механический или физиологический регуляторы, расположенные в «постоянной точке». Например, для поддержания постоянной температуры в помещении, термостате или холодильнике терморегулятор управляет нагревательным прибором, отключая или включая его.
Гомеостаз- это регуляторные механизмы живых систем. V теплокровных животных регуляция температуры тела осуществляется специальным центром в мозгу. Другие центры поддерживают постоянное кровяное давление, сердечный ритм и т. д. В экосистемах в результате взаимодействия круговорота веществ, потоков энергии и сигналов обратной связи от субсистем возникает саморегулирующийся гомеостаз без регуляции извне из «постоянной точки».
Гомеостаз - это способность популяции или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды с помощью обратных связей.
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
В число управляющих механизмов на уровне экосистемы входят, например, такие субсистемы, как редуценты, регулирующие накопление и высвобождение биогенных элементов, необходимых растениям. Субсистема «хищник - жертва» (волки - зайцы) управляет плотностью популяций и хищника, и жертвы.
В отличие от созданных человеком кибернетических устройств, управляющие функции экосистемы диффузны и находятся внутри нее, а не направлены извне. Для поддержания гомеостаза в природе не требуется внешнее управление (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Гомеостоз . популяции животных, регулируемый доступностью пиЩи
Природа чрезвычайно вынослива. Живые организмы, популяции, экосистемы могут достаточно долго, но не беспредельно, поддерживать динамическое равновесие.
Итак, все живые существа и человек в том числе/ так же как и экосистемы, являются саморегулирующимися гомеопатическими системами, поддерживающими равно-
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Экологическая сукцессия - это закономерная последовательная смена биоценозов, преемственно возникающих на одном и том же биотопе под воздействием природных или антропогенных факторов.
Некоторые сообщества остаются стабильными многие годы, другие изменяются быстро.
Причины и типы сукцессиимогут быть различными. Изменения происходят во всех экосистемах в силу естественных или искусственных причин. Естественные изменения являются закономерными и управляются самим сообществом. Если сукцесси-онные изменения определяются в основном внутренними взаимодействиями, то говорят об аутогенной(гР. autos - сам), т. е. самопроизвольной сукцессии. Если изменения вызываются внешними силами на входе экосистемы (шторм, пожар, воздействие человека), то такую сукцессию называют аллогенной(Гр. albs - другой, иной), т. е. порожденной извне.
Последовательные сообщества, сменяющие друг друга на данном пространстве, называются сериямиили стадиями.Выделяют два типа сукцессии: первичные и вторичные. Первичная сукцессияначинается на участке, прежде не занятом живыми организмами и лишенном почв. Такими участками могут быть скалы, глины после прохождения селя, остывшая вулканическая лава, районы открытой добычи полезных ископаемых. Вначале участки заселяют и формируют на них почвы несколько неприхотливых видов - пионеров. Например, поселения лишайников на камнях: под действием выделений лишайников каменистый субстрат постепенно превращается в подобие почвы, где поселяются кустистые лишайники, зеленые мхи, травы, кустарники и т. д.
В водных экосистемах эти виды постепенно образуют донные отложения. В конце концов виды-пионеры изменяют условия настолько, что участок становится менее пригодным для них и более пригодным для новых групп растений и животных.
Вторичная сукцессиявозникает там, где новое сообщество развивается на месте ранее существовавшего и где сохранились почвы или донные отложения. Такими территориями могут быть заброшенные сельскохозяйственные поля, поселки, сгоревшие или вырубленные леса, загрязненные водоемы, затопленные при строительстве водохранилищ земли и т. д.
Скорость сукцессии различна. Для первичных сукцессии требуются сотни и тысячи лет. Вторичные протекают быстрее. Для восстановления растительной биомассы на месте вырубки, лесного пожара или покинутого сельскохозяйственного участка требуется от 30 - 50 до 250 лет (рис. 2.8).
Сукцессии обычно начинаются в незрелых несбалансированных сообществах, у которых скорости продукции органического вещества П либо больше, либо меньше скорости дыхания Д. Сообщество стремится к более стабильному, зрелому состоянию, где П = Д. Сукцессия, начинающаяся при П > Д, называется автотрофной, а при П < Д - гетеротрофной. Отношение П/Д является функциональным показателем зрелости экосистем.
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Рис. 2.8. Вторичная сукцессия в умеренном климате (по Е. А. Крискунову и др., 1995, с изменениями)
Автотрофная сукцессия- широко распространенное в природе явление, которое начинается в незаселенной среде: формирование леса на брошенных землях или восстановление жизни после извержения вулканов и других природных катастроф. Она характеризуется длительным преобладанием автотрофных организмов, при котором соотношение П/Д > 1. В процессе сукцессии П/Д стремится к 1.
При П > Д постепенно растут биомасса организмов Б и отношение биомассы к продукции Б/П, т. е. увеличиваются размеры организмов. По мере роста продукции П растет и величина ее расходов на дыхание Д.
Г. Т. Одум и Р. С. Пинкертон (1955) впервые указали на то, что сукцессии связаны с увеличением затрат энергии на дыхание, по мере того как накапливаются органическое вещество и биомасса.
Гетеротрофная сукцессияхарактеризуется преобладанием в системе редуцентов и встречается тогда, когда среда пересыщена органическими веществами, например, в реке, загрязняемой сточными водами с большим содержанием органических веществ, или на очистных сооружениях. При гетеротрофных сук-цессиях отношение П/Д < 1, а органические вещества могут постепенно разлагаться и исчезать, и тогда из-за отсутствия авто-
грофных процессов система может разрушиться, как, например, ствол упавшего дерева. Однако обычно система, так же как и при автотрофных сукцессиях, стремится к стабильному состоянию, при котором П/Д = 1. Гетеротрофная сукцессия в загрязненной реке, например, приводит к ее постепенному самоочищению и восстановлению естественного состояния на каком-то расстоянии от источника загрязнения.
Состояние стабилизированной экосистемы называется климаксом (гр. klimax - лестница, «зрелая ступень»).
Климаксные системыобразуют сложную сеть взаимоотношений, поддерживающих их стабильное состояние. Теоретически такое состояние должно быть постоянным во времени и существовать до тех пор, пока его не нарушат сильные внешние возмущения. Чем больше отношение П/Д отклоняется от 1, тем менее зрелой и устойчивой является экосистема. В климаксных сообществах это отношение приближается к 1 (рис. 2.9).
Незрелые развивающиеся и зрелые климаксные экосистемы характеризуются разными признаками.
Незрелые экосистемы на ранних стадиях экологической сукцессии имеют лишь несколько видов (характеризуются низким видовым разнообразием); простые схемы питания: много продуцентов, травоядных животных и мало редуцентов. Растения, в основном однолетние травы, тратят большую часть энергии на продукцию мелких семян для воспроизводства, а не на корневую систему, стебли и листья. Они получают питательный материал, как правило, со стоком из других экосистем, так как сами не могут удерживать и накапливать биогенные вещества.
Зрелые экосистемы, в противоположность незрелым, характеризуются многообразием видов, стабильными популяциями и сложными схемами питания. В системе доминируют редуценты, разлагающие большое количество мертвого органического вещества. Растения представлены крупными многолетними травами и деревьями, дающими крупные семена. Они тратят большую долю энергии и питательных материалов на поддержание корневой
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
системы, ствола, листьев, а не на производство новых растений. Эти системы сами добывают, удерживают и перерабатывают часть биогенных веществ, в которых нуждаются.
• |
-гетеротрофная сукцессия (П/Д<1)
Рис. 2.9. Состояние экологической сукцессии в разных экосистемах
Изменения основных характеристик экосистемпри
аутогенных сукцессиях отличаются от изменений, происходящих при аллогенных сукцессиях, причинами которых является воздействие человека.
Аутогенные сукцессии- этоестественное закономерное биотическое развитие экосистем, идущее по автотрофному типу.
Общая стратегия развития экосистем состоит в возрастании эффективности использования энергии и биогенных элементов, достижении максимального разнообразия видов, усложнении структуры системы и возрастании их стабильности.
В процессе сукцессии популяции организмов и функциональные связи между ними закономерно и обратимо сменяют друг друга (табл. 2.2).
Таблица 2.2
Тенденции изменения основных характеристик экосистемы в процессе аутогенной сукцессии
Группа признаков Тенденции изменения | |
Энергетика | Возрастает продукция органического вещества (П) Возрастает биомасса организмов (Б) Увеличиваются затраты энергии на дыхание (Д) П/Д приближается к 1 Б/П возрастает |
Круговорот веществ | Круговорот биогенных элементов становится все более замкнутым Увеличивается время оборота питательных веществ Увеличивается запас важных биогенных элементов |
Структура сообщества | Меняется видовой состав Возрастает разнообразие видов Увеличиваются размеры организмов Усложняются и удлиняются жизненные циклы Развивается взаимовыгодный симбиоз (гр. symbiosis - сожительство) |
Стабильность | Возрастает резистентная устойчивость Снижается упругая устойчивость |
Аутогенная сукцессия - это направленное предсказуемое и обратимое развитие экосистемы до установления равновесия между биотическим сообществом - биоценозом и абиотической средой - биотопом.
Аллогенные сукцессииэкосистем, вызванные человеком, приводят к их упрощению. Вырубая леса и распахивая луга, человек заменяет тысячи взаимосвязанных видов растений и животных упрощенной монокультурной экосистемой или сооружениями - зданиями, автострадами, автозаправками, стоянками машин и т. д.
Сельское хозяйство основано на намеренном удержании экосистем на ранних стадиях сукцессии, когда биомасса одного-двух
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
видов растений увеличивается. Но такие системы нестабильны и уязвимы. На сельскохозяйственные поля постоянно вторгаются нежелательные виды трав-сорняков, насекомых-вредителей, патогенных микроорганизмов, вызывающих болезни. Сорняки, вредители и болезни могут полностью уничтожить посевы монокультур. Борьба с ними с помощью пестицидов приводит к генетической устойчивости вредителей и ускоряет их естественный отбор до такой степени, что химические препараты теряют свою эффективность.
Животноводство также способствует снижению видового разнообразия и упрощению экосистем. Например, чтобы бизоны не конкурировали с овцами, человек уничтожает их, а вместе с ними - волков, койотов, орлов и других хищников, которые иногда убивают овец.
Сравнение природных и упрощенных человеком экосистем представлено в табл. 2.3.
Таблица 2.3 Основные функции природных и антропогенных экосистем
Природные экосистемы (лес, луг, водоем) | Антропогенные экосистемы (город, завод, сельскохозяйственное поле) |
Преобразуют и накапливают солнечную энергию | Потребляют энергию ископаемого и ядерного топлива |
Потребляют С02 и продуцируют Ог | Потребляют 02 и продуцируют С02 при сжигании топлива |
Формируют плодородную почву | Истощают плодородные земли |
Накапливают, очищают и мало расходуют пресной воды | Расходуют много пресной воды и загрязняют ее |
Создают местообитания разным видам организмов | Разрушают местообитания растений и животных |
Бесплотно перерабатывают отходы | Производят отходы, переработка которых стоит огромных денег |
Обладают способностью сохранять стабильность и самовосстанавливаться | Поддержание стабильности и восстановление требуют огромных внешних затрат |
Смены фауны и флоры в истории Земли похожи на медленно протекающие экологические сукцессии. Они тесно связаны с геологическими и климатическими изменениями и видообразова-
нием. Такие процессы протекают на протяжении миллионов лет и называются эволюцией.
Биом - это макросистема, совокупность экосистем, тесно связанных климатическими условиями, потоками энергии, круговоротом веществ, миграцией организмов и типом растительности.
Основные типы наземных биомов - это пустынные, травянистые и лесные экосиаемы. Каждой экосистеме присущи свои типичные
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
сообщества растений, животных и редуцентов, которые приспособлены к определенным климатическим условиям. Среднегодовое количество осадков, среднегодовая температура и их колебания в течение года - основные факторы, которые срормируют сообщества пустынь, лугов и лесов в тропических, умеренных и полярных широтах. Важными факторами также являются: циркуляция воздуха, распределение солнечного света, сезонность климата, высота и ориентация гор, гидродинамика вод.
Наземные формации в основном определяются растительностью, так как растения теснейшим образом зависят от климата, и именно они образуют основную часть биомассы. Лимитирующим фактором, формирующим ее характер на большей части Земли, является количество осадков.
В пустынеиспарение менее^ 250 мм в год, но при этом превышает количество осадков. Наблюдаются контрасты между дневными и ночными температурами. Здесь произрастает скудная, разреженная, низкорослая растительность.
Травянистые экосистемыприурочены к регионам, где среднегодовое количество осадков достаточно для произрастания трав, но выпадают они неравномерно. Периодические засухи и пожары препятствуют развитию древесной растительности.
Леса,состоящие из разнообразных пород деревьев и низкорослой растительности, покрывают ненарушенные территории со средним и высоким количеством осадков.
Климатические условия местности меняются в зависимости от широты и ее высоты над уровнем моря. Среднегодовая температура на экваторе 26 °С, на широте 40 ° - около 13 °С. При движении от экватора к полюсам климат становится прохладнее и влажнее. Соответственно меняется и тип растительности. С увеличением высоты над уровнем моря климат также становится более прохладным и влажным. Поэтому даже в тропических широтах высокогорья покрыты снегами и льдами.
Растения, характерные для Арктики, могут встречаться в высокогорьях теплых широт (альпийская тундра, например). Сходную
последовательность смены растительных сообществ можно наблюдать, проезжая тысячи километров от экватора на север или просто поднимаясь в горы (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Смена растительных сообществ в зависимости от географической широты и высоты в горах
Все три типа наземных биомов (пустыни, трявянистые сообщества, леса) встречаются практически во всех географических широтах, кроме ледников. В каждом климате они имеют свои особенности, специфическую растительность, которые формируют и сообщества животных организмов, адаптированных к этим условиям.
Существуют биомы, занимающие промежуточное положение, например, полувечнозеленый тропический лес с выраженными клажными и сухими сезонами. Границы между биомами чаще
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
размыты и представляют широкие переходные зоны - экотоны. Самый богатый по числу видов наземный биом планеты - это вечнозеленый дождевой тропический лес.
■ Водные экосистемыменьше зависят от климата, чем наземные. Они формируются в зависимости от глубины водоема, содержания растворимых солей, глубины проникновения солнечных лучей, количества растворенного в воде кислорода, доступности питательных элементов, гидродинамики и температуры воды. Эти факторы определяют горизонтальное и вертикальное размещение организмов. Соли, растворенные в морской воде (в основном NaCl), меняют и физические свойства воды. Так, морская вода, в отличие от пресной, замерзает при температуре ниже О °С.
По степени солености водные экосистемы подразделяют на морские, солоноватоводные и пресноводные.
Морские экосистемыобразуют морские биомы, к которым
ОТНОСЯТ также ЭСТуарИИ (лат. aestuarium - заливаемый приливом), Т. е.
воронкообразные устья рек, где соленые воды смешиваются с пресной водой; прибрежные болота и коралловые рифы. Распределение морских биомов показано на рис. 2.11.
Рис. 2.11. Деление мирового океана на зоны в зависимости от глубины
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Прибрежное океаническое мелководье, ограниченное с одной стороны берегом, а с другой - гребнем континентального склона (до 600 м), называется континентальным шельфом (англ. shelf - полка). Площадь шельфа составляет около 8 % от общей площади мирового океана. В области шельфа расположена литоральная зона,которая подразделяется на супралитораль, собственно литораль и сублитораль. Небольшие глубины, близость к материкам, приливы и отливы определяют ее насыщенность питательными веществами, доступность солнечного света, высокую продуктивность и разнообразие организмов. Здесь производится свыше 80 % всей биомассы океана и сконцентрирован мировой океанический промысел.
От нижнего края шельфа над континентальным склоном до глубины 2 - 3 тыс. м простирается батиальная зона(гР. bathys -глубокий). Площадь этой зоны - чуть более 15 % от всей площади океана. Фауна и флора батиали гораздо беднее, чем литорали; общая биомасса не превышает 10 % биомассы мирового океана. От подножия континентального склона до глубин 6 - 7 тыс. м находится абиссальная область(гр. abysses - бездна) океана. Она занимает более 75 % дна океана. Абиссаль характеризуется отсутствием солнечного света у дна, слабой подвижностью водных масс, ограниченностью питательных веществ, бедностью животного мира, низким видовым разнообразием, биомассой от 0,5 до 7,0 г/м2 (в литорали она исчисляется десятками и сотнями г/м2). В абиссальной области могут встречаться глубокие впадины - до 11 тыс. м, площадь которых около 2 % от общей площади дна океана. Открытую часть океана часто называют «пустыней».
Эстуарии и прибрежные заболоченные земли играют большую роль в природе и жизни людей, хотя многие обыватели и некомпетентные чиновники полагают, что это бесполезные территории, кишащие комарами. Долгое время считалось, что их следует осушать, застраивать или использовать для свалки отходов.
На самом деле это высокопродуктивные экосистемы, которые предоставляют условия для питания и размножения многим рыбам,
75
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
моллюскам и другим морским организмам. Кроме того, здесь гнездятся водоплавающие птицы и нерестится около 70 % промысловых морских организмов: креветки, лосось, устрицы, пикша и многие другие. Коммерческое и промышленное рыболовство развивается в основном в этих зонах, дает ежегодно многомиллиардные доходы и обеспечивает миллионы рабочих мест. В прибрежных районах происходит разбавление и фильтрование сбрасываемых загрязненных вод, а следовательно, улучшаются экологические условия для рекреации, рыболовства и обитания диких животных. Они, как губка, поглощают паводковый сток. Эти территории относятся к продуктивным и ценным природным экосистемам.
Именно вблизи этих водных экосистем наиболее плотно селятся люди; они используются и подвергаются негативным влияниям человека. В результате антропогенных воздействий нарушаются или даже утрачиваются многие важные функции этих экосистем. Коралловые рифы встречаются в прибрежных зонах океана в тропических и субтропических широтах при температуре воды выше 20 °С. Они образуются в результате жизнедеятельности колониальных неподвижных морских животных, прикрепляющихся к скалам и похожих на растения, - кораллов. Кораллы имеют известковый скелет и могут достигать громадных размеров. Нарастая со дна к поверхности, они образуют рифы и целые острова, которые могут простираться на многие километры. Сложное строение и разнообразие рифов с большим количеством красных и зеленых водорослей привлекает сюда рыб и другие организмы. Не менее трети морских рыб и других морских животных обитают в коралловых рифах. Это наиболее продуктивные морские экосистемы. Кроме того, кораллы, благодаря красочным пигментам и разнообразию форм, являются одними из самых красивых морских животных, а известковые части благородных видов ценятся как драгоценные камни.
Пресноводные экосистемы отличаются низкой соленостью -это внутриматериковые водоемы. Ведущим фгактором в этих экосистемах становится скорость циркуляции воды. По этому признаку
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
различают логические(лот. btvs - омывающий), текучие воды, или водотоки (реки, ручьи) И лентические(лат. /вп/е - медленно, спокойно), СТОЯЧИв
воды, или водоемы (озера, пруды, болота, водохранилища).
Реки и ручьи образуются либо из поверхностного стока атмосферных осадков, либо за счет питания из подземных вод. Территория, с которой вода, наносы, растворенные вещества смываются и текут с водотоками в главную реку, а затем в море, называется водосборным бассейном, который часто определяет гидрохимический состав воды. Сток с горных территорий - это турбулентный поток, образующий водопады и пороги. Он поглощает из воздуха много кислорода. Растения в таких водотоках лишь прикрепленные, а из рыб преобладают холодолюбивые и требующие большого кличества кислорода, например форель. В зависимости от количества солей кальция и магния выделяют жестководные и мягководные водотоки.
Текучие воды играют важную роль в преобразовании земной поверхности, вымывая глубокие овраги и каньоны. С другой стороны, равнинные реки за счет аккумуляции наносов образуют холмы и даже горы.
Озера - это пресноводные естественные водоемы со стоячей водой. Они образуются при заполнении впадин земной поверхности атмосферными осадками или подземными водами. Древние озера образовались в результате ледниковых процессов. По содержанию питательных веществ (в основном, нитратов и фосфатов) озера делят на три основные группы: дистрофные - очень бедные, олиготрофные - бедные и эвтрофные - богатые биогенными веществами. В последних обитает большое количество микроскопических водорослей - фитопланктона, микроскопических животных - зоопланктона, а также многие рыбы. В глубоких эвтрофных озерах у дна бывает дефицит кислорода, особенно в зимний период, из-за поглощения его отмершими водорослями при аэробном разложении. Очень многие озера занимают промежуточное положение между олиготрофными и эвтрофными, они называются мезотрофными.
77
Глава 2, Экосистемы - предмет экологии
В результате сброса в водоемы избыточного количества азота и фосфора озера могут быстро зацветать и переходить в эвт-рофное состояние. Этот нежелательный процесс может приводить к вторичному загрязнению воды и полной деградации водной экосистемы (см. гл. 8). В глубоких озерах умеренных широт зимой и летом наблюдаются значительные различия температур в верхних и нижних горизонтах воды. Это приводит к неравномерному распределению по вертикали питательных солей, кислорода и других ингредиентов. Такое явление называется вертикальной стратификацией. Весной и осенью происходит выравнивание температур и перемешивание поверхностных и глубинных вод. Раздел гидробиологии, изучающий озера, выделился в самостоятельную ДИСЦИПЛИНУ - ЛИМНОЛОГИЮ (гр. limne - озеро, logos - учение, наука).
Водохранилища - искусственные пресноводные водоемы, которые соружаются с целью регулирования стока и аккумуляции воды. Сбрасываемые воды используются также для производства электроэнергии (ГЭС). Кроме того, аккумулированные в водохранилищах воды могут направляться на орошение или поступать в города для бытового и промышленного водоснабжения. Водохранилища используются также в целях рекреации. Однако они еще в большей степени, чем озера, подвержены эвтрофирова-нию, т. е. «цветут» и зарастают.
Наземные и водные экосистемы тесно взаимосвязаны. Наиболее важным процессом является смыв биогенных (нитраты, фосфаты) и органических веществ с поверхности суши в водные экосистемы. Эти вещества составляют основу питания водных организмов. Смываемая почва, попадая в озера и реки, осаждается на дне. Донные осадки постепенно преобразуют структуру водных биоценозов. Водные экосистемы могут постепенно превращаться в наземные, но это длительный процесс.
С другой стороны, рыбы, моллюски являются пищей для многих обитающих на суше животных, птиц и человека. Поэтому часть смытого питательного материала возвращается на сушу, участвуя в глобальном круговороте веществ.
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Ш Антропогенные экосистемыобладают теми же основными признаками, что и природные: определенной структурой биоценоза (продуценты, консументы, редуценты), потоком энергии и круговоротом веществ. Однако имеются и различия. Проследим черты сходства антропогенных и природных экосистем и их отличия на некоторых примерах.
Город,особенно промышленный, является гетеротрофной экосистемой, получающей энергию, пищу, воду и другие вещества с больших площадей, находящихся за его пределами. Город отличается от природных гетеротрофных систем, примером которых может служить устричная банка (рис. 2.12).
Рис. 2.12. Гетеротрофные экосистемы (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями): А - устричная банка; Б - промышленный город
Устричная банка целиком зависит от поступления энергии с большой площади окружающей среды. Существование города также поддерживается колоссальным притоком энергии извне, при этом возникает и огромный отток в виде тепла, промышленных и бытовых отходов. Однако потребности 1 м2 города в энергии примерно в 70 раз превышают потребности устричной банки такой же площади и составляют около 4000 ккал/сут, а в год - около 1,5 млн ккал.
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Большинство городов имеют «зеленый пояс», т. е. автотрофный компонент: газоны, парки, пруды, озера и т. п. Но органическая продукция этого зеленого пояса не играет никакой роли в снабжении энергией механизмов и людей, населяющих город. Городские парки представляют в основном лишь эстетическую и рекреационную ценность, смягчают колебания температуры, уменьшают загрязнения и шумовое воздействие, являются местом обитания птиц и мелких животных. Труд и горючее, затрачиваемые на их содержание, лишь увеличивают расходы на жизнь города. Ежегодные энергетические дотации для газона (труд, бензин, удобрения и т. п.) оцениваются приблизительно в 530 ккал/м2. Без огромных поступлений извне пищи, горючего, электричества и воды люди погибли бы или покинули город.
Хотя площадь суши, занятая городами, не так уж и велика (1 -5 %), но, воздействуя на свои^обширные пригородные зоны, они изменяют водные пути, леса, поля, атмосферу и океан. Город может влиять на удаленный лес не только непосредственно загрязнением воздуха или использованием продуктов леса и древесины, но и изменяя состав деревьев в нем. Например, спрос на бумагу оказывает экономическое давление: естественные леса, состоящие из деревьев разных пород и возраста, превращаются в плантации деревьев одного вида и возраста.
Гектар города потребляет приблизительно в тысячи раз больше энергии, чем такая же площадь сельской местности. Образующиеся в результате функционирования города тепло, пыль и другие вещества, загрязняющие воздух, заметно изменяют климат городов. В городах теплее, повышена облачность, меньше солнца, больше тумана, чем в прилегающей сельской местности. Строительство городов стало основной причиной эрозии почвы.
Размеры загрязнения среды на выходе города зависят от интенсивности его жизнедеятельности и степени технического развития. Отсутствие очистных сооружений для сточных вод и выбросов в атмосареру, переработки твердых отходов приводят к сильному негативному воздействию на среду в окрестностях города.
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Город практически не производит пищу, он только перерабатывает ее, не очищает воздух, почти не возвращает в круговорот воду и органические вещества, но находится в симбиотических отношениях с окружающей сельской местностью. Он производит и вывозит товары и услуги, деньги и культурные ценности, обогащая этим сельское население и получая взамен услуги и пищу.
Город можно рассматривать как экосистему только в том случае, если учитываются его обширные пригороды. Одно из имеющихся, к сожалению, препятствий для такого разумного подхода - порочное административное разделение между городом и сельской местностью. Пока городские и областные лидеры не научатся ставить общие интересы выше частных, управление городом и областью как единой функциональной экологической системой не может быть реализовано.
Агроэкосистемы,в отличие от городов, являются автотроаЬ-ными экосистемами, т. е. обладают обширным «зеленым поясом». Агроэкосистемы отличаются от естественных экосистем (лес, луг, поляна), работающих только на энергии Солнца. Они получают дополнительную энергию в виде мышечных усилий человека и животных, удобрений, пестицидов, орошающей воды, горючего, механизмов, машин и т. п. Для максимизации выхода какого-либо одного продукта человек резко снижает разнообразие организмов. Виды растений и животных подвергаются искусственному, а не естественному отбору. Сельское хозяйство использует только 30 % свободной от льда суши планеты: около 10 % -пахотные земли и приблизительно 20 % - пастбища.
Условно агроэкосистемы можно разделить на два типа.
Агроэкосистемы доиндустриального периода используют дополнительную энергию в виде мышечных усилий человека и животных. Они поставляют продукты питания в основном для семьи фермера и частично - на местный рынок.
Интенсивные механизированные агроэкосистемы получают энергетические дотации в виде горючего, химикатов, работы машин. Эти высокопродуктивные системы производят продукты пита-
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии |
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
ния в основном на рынок; продукты питания превращаются в товар, играющий важную роль в экономике.
Доиндустриальное сельское хозяйство часто называют примитивным и направленным только на выживание. Тем не менее оно очень эффективно, если оценивать по количеству произведенной пищи на единицу затраченной энергии. Например, на огородах со смешанными культурами соотношение полученной и затраченной энергии может составлять 16:1. Напротив, многие механизированные агроэкосистемы потребляют часто не меньше энергии, чем возвращают в виде продуктов питания.Однако даже хорошо приспособленные доиндустриальные системы, эффективно использующие энергию, часто не могут производить достаточного количества избыточных продуктов питания, чтобы прокормить огромные города.
Таким образом, неиндустр*иализованное сельское хозяйство эффективно расходует энергию, но оно малотоварно. Как правило, такие агроэкосистемы дают меньший урожай на единицу площади, чем интенсивное механизированное сельское хозяйство. Но, выигрывая в одном, человек проигрывает в другом - ничто не дается даром. Поскольку в развитых странах и интенсивность энергетических субсидий, и урожай, видимо, достигли максимума, повышение вкладов в сельское хозяйство может привести к уменьшению выхода продукции (отрицательная обратная связь).
Может ли человек искусственно создать полноценную экосистему вне биосферы? Является ли даже такая совершенная техногенная система, как космический корабль, в полной мере экосистемой? Может ли она долгое время функционировать за пределами биосферы? Попытаемся ответить на эти вопросы.
Космический корабль,предназначенный для длительных путешествий, представляет собой как бы миниатюрную экосистему, включающую человека. Пилотируемые космические корабли в настоящее время снабжены модулями жизнеобеспечения запасающего типа: в них частично осуществляется регенерация воды и воздуха лишь физико-химическими методами. Для настоящих регенерационных экосис-
тем, которые могли бы долгое время находиться в космосе, ничего не получая с Земли, потребовались бы сообщества растительных и крупных животных организмов, которые могли бы использоваться человеком в пищу, значительное видовое разнообразие их и большие емкости для воздуха и воды.
Рис. 2.13. Сравнительные объемы атмосферы и океана, приходящиеся на 1 м2 суши (по Ю. Одуму, 1986) |
Основная задача, которую предстоит решить, - чем заменить буферную способность атмосферы и океана, благодаря которой очищаются отходы, стабилизиру-
ются и поддерживаются условия жизни в биоссрере в целом. На Земле на 1 м2 суши приходится более 1 000 м3 буферной емкости атмооферы и почти 10 000 м3 океана плюс большие объемы растительности (рис. 2.13).
Атмосфера, океан и растительность выполняют роль накопи-телей и регенераторов отходов. При длительном пребывании человека в космосе часть этой бусрерной функции должны взять на себя механические устройства, работающие на солнечной и, возможно, атомной энергии.
Однако, по выводам Национального управления по аэронав-(ике США, на современном этапе развития невозможно создать безопасную и надежную закрытую экологическую систему жизнеобеспечения даже для использования ее на Земле. Создать миниа-тюрную модель биосферы, т. е. искусственную экосистему без притока и оттока вещества и энергии, с полной регенерацией отходов и регуляцией условий, для использования ее в космосе не только сложно, но и очень дорого.
Правда, некоторые энтузиасты освоения космоса, например физик Дж. О'Нейл (1977), предсказывали, что в XXI веке воз-
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
Глава 2, Экосистемы - предмет экологии
никнут космические поселения, обеспечиваемые функционированием тщательно отобранной биоты, свободной от паразитов и других непродуктивных организмов. Для поддержания таких поселений можно будет использовать солнечную энергию и минеральные богатства спутников планет Солнечной системы. В связи с тем что буферные объемы воздуха и воды будут невелики, возможность поддержания такого поселения без поступлений извне кажется сомнительной.
В заключениееще раз следует подчеркнуть, что функционирование экосистемы обеспечивается взаимодействием трех основных составляющих: сообщества, потока энергии и круговорота веществ(рис. 2.14).
Рис. 2.14. Блоковая модель экосистемы (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями): А - автотрофы; Г - гетеротрофы; 3 - запасы питательных веществ
Поток энергии направлен в одну сторону, часть ее преобразуется автотрофами в органическое вещество, которое затем используется гетеротрофами. Но большая часть энергии покидает экосистему в виде рассеивающегося тепла.
В отличие от энергии, элементы питания и вода могут использоваться многократно.
Все экосистемы в составе биосферы являются открытыми,
они должны получать энергию, вещества и организмы из среды
на входеи отдавать их в среду на выходеэкосистемы. Экосисте
ма не может быть герметичной, так как ее живое сообщество не
вынесло бы такого заключения. /тч
Контрольные вопросы
1. Из каких компонентов состоят экосистемы?
2. Какие биосистемы изучает экология?
3. Какие компоненты экосистемы относятся к абиотическим?
4. Какие компоненты экосистем относятся к биотическим?
5. Какие организмы называются продуцентами?
6. Какие организмы называются консументами?
7. Какие свойства экосистемы называются эмерджентными?
8. Напишите уравнение фотосинтеза.
9. Напишите уравнение реакции аэробного дыхания.
10. Напишите уравнение реакции анаэробного дыхания.
1 1. Напишите уравнение реакции брожения.
12. Как соотносятся скорости автотрофных и гетеротрофных процессов в биосфере?
13. Чем можно объяснить накопление кислорода в атмосфере и горючих ископаемых в недрах Земли?
14. Что такое гомеостаз, с действием какого технического устройства его можно сравнить?
15. Чем различаются управляющие механизмы в технических и экологических системах?
16. Приведите примеры положительной и отрицательной обратной связи в экосистемах.
17. Что понимается под стабильностью экосистем?
18. Какие типы устойчивости экосистем вы знаете?
Глава 2. Экосистемы - предмет экологии
19. Что такое сукцессии?
20. Какие типы сукцессии вы можете назвать?
21. Как изменяются растительные сообщества при перемещении с юга на север и при подъеме в горы?
22. Какие морские и пресноводные экосистемы вам известны?
23. Каково основное отличие экосистемы города от агроэкоси-стемы?
24. Можно ли космический корабль назвать экосистемой?
ГЛАВА 3
ЭНЕРГИЯ В ЭКОСИСТЕМАХ
Глава 3. Энергия в экосистемах
Глава 3. Энергия в экосистемах
3.1. Преобразование ЭнерГИЯ(гр. energeia - деятельность] - ИСТОЧ-
энергии в экосистемахник жизни, основа и средство управления всеми природными и общественными системами. С помощью энергии выращиваются продукты питания, необходимые человеку и другим организмам; поддерживается температура тела и обогреваются жилища; производится промышленная продукция; создаются сложнейшие технические сооружения и устройства, интеллектуальные и культурные ценности. Энергия позволяет переводить вещества из одного состояния в другое, перемещать предметы и организмы, осуществлять круговорот веществ в природе и т. д.
Очевидно, что законы превращения энергии проявляются во всех процессах, происходящих в природе и обществе, включая экономику, культуру, науку и искусство. Энергия - движущая сила мироздания. Компонент энергии есть во всем: в материи, информации, произведениях искусства и человеческом духе.
Первый закон термодинамики - закон сохранения энергии - гласит: энергия не создается и не исчезает, она превращается из одной формы в другую.
Закон подразумевает, что в результате превращений энергии никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено: нельзя из ничего получить нечто. Однако на выходе из системы энергия преобразуется в иные формы.
Второй закон термодинамики утверждает: при любых превращениях энергия переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся.
Действительно, солнечная энергия Qсопн, получаемая поверхностью зеленого листа, уравнивается рассеянной и концентриро-
Глава 3. Энергия в экосистемах
ванной формами энергии в соответствии с первым законом термодинамики: Qсолн = qрасс+ qконц
Лучистая энергия Солнца, попав на Землю, стремится превратиться в рассеянную тепловую. Доля световой энергии, преобразованной зелеными растениями в потенциальную энергию их биомассы, намного меньше поступившей (qконц < Qcoлн) Большая часть энергии превращается в теплоту, покидающую затем и растения, и экосистему, и биосферу, в соответствии со вторым законом термодинамики (рис. 3.1).
То же самое происходит в антропогенных сельскохозяйственных экосистемах. На рис. 3.2 показаны потоки энергии, обеспечивающие работу фермы. Схема представляет четыре потока энергии,поступающие от солнца Qсогн, с дождем qд, питательными веществами qпвi, работой человека и машин qч, которые взаимодействуют в процессе производства продуктов питания.
Согласно первому закону термодинамики энергия, поступающая в систему из четырех источников, преобразуется в два потока: выносимую из системы энергию продуктов питания qn и рас-
Глава 3. Энергия в экосистемах
сеянную тепловую энергию qт.
Qсолн + qд + qп.в + qч = qт + qп
Согласно второму закону количество энергии, заключенной в продуктах питания, значительно меньше общего количества поступившей, которая превращается в основном в рассеянную тепловую энергию qт:
qп < Qcолн + qд + qп.в + qч
Рис. 3.2. Потоки энергии, обеспечивающие работу срермы (по Г. Одуму и Е. Одуму, 1978)
Экология, посути дела, изучает связь между солнечным светом иэкологическими системами, внутри которых происходят превращения энергии света.
Отношения между растениями - продуцентами и животными -консументами управляются потоком аккумулированной растениями солнечной энергии. Весь живой мир получает необходимую энергию в основном из органических веществ, созданных растениями.
Пища, созданная в результате фотосинтезирующей деятельности зеленыхрастений, содержит потенциальную энергию химических связей, которая при потреблении ее животными организмами превращается в другие формы.
Животные, поглощая пищу,также меньшую ее часть превращают в потенциальную химическую энергию синтезируемой ими
Глава 3. Энергия в экосистемах |
Глава 3. Энергия в экосистемах
протоплазмы, а большую часть переводят в теплоту, которая рассеивается в окружающем пространстве. Например, наше тело постоянно излучает такое же количество тепла, как электрическая лампочка мощностью 100 ватт - вот почему в переполненной людьми комнате жарко.
В технических системах происходит то же самое. При движении автомобиля в механическую энергию движения и электрическую энергию всех его систем превращается лишь около 10 % энергии сгорающего бензина. Остальные 90 % в виде бесполезного тепла рассеиваются в окружающей среде и, в конечном счете, теряются для нас в космическом пространстве. Энергия потребленного бензина не исчезает, а превращается в формы, практически недоступные для использования. При горении электрической лампы только 5 % электрической энергии, проходящей через проволоку лампы накаливания, превращается в полезное световое излучение, а 95 % теряется в виде рассеянной тепловой энергии.
Рассеиваемая теплота есть энергия хаотического движения молекул, которое мы воспринимаем как ощущение тепла. При всех энергетических процессах, в том числе и технологических, происходит переход системы от более высокого уровня организации («порядка») к более низкому («беспорядку»).
Для определения степени неупорядоченности состояния системы употребляют термин энтропия (гр. ел-внутрь, trope- превращение). А
тенденцию потенциальной энергии к деградации, к самопроизвольному превращению в рассеянную тепловую энергию называют возрастанием энтропии.
Энтропия является физической мерой беспорядка, т. е. мерой количества связанной потенциальной энергии, которая становится недоступной для использования.
Высокоупорядоченные системы обладают низкой энтропией, а неупорядоченные, в которых вещество или энергия рассеяны, характеризуются высокой энтропией (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Примеры систем с низкой и высокой энтропией
Таким образом, в процессе любого превращения энергии из одного вида в другой всегда происходят потери полезной энергии, которая переходит в менее полезную, рассеивающуюся в виде низкотемпературного тепла и не способную выполнять работу. В то же время в природных экосистемах энергетические потоки создают (возможно, спонтанно) из хаоса природных веществ порядок, т. е. структуры, обладающие низкой энтропией.
Преобразования энергии в живой материиимеют свои особенности и на первый взгляд не согласуются с теорией классической термодинамики. К. М. Петров (1997) отмечает: «Законы развития живой и косной материи описываются двумя противоположными теориями - это классическая термодинамика и эволюционное учение Дарвина».
Глава 3. Энергия в экосистемах
В соответствии с законами термодинамики дезинтеграция Вселенной неизбежна, если рассматривать ее как закрытую систему. Согласно второму началу термодинамики энтропия будет расти, а запас полезной энергии, приводящей «мировую машину» в движение, рано или поздно будет исчерпан. Рост внутренней неупорядоченности приведет к переходу высокоорганизованных структур к низкоорганизованным, к их разрушению, т. е. к «тепловой смерти».
В соответствии с теорией эволюции направление развития разнообразных форм жизни в биосфере имеет противоположную тенденцию - от низкоорганизованных форм к высокоорганизованным. Живая материя удивительным образом организуется в упорядоченные структуры как бы вопреки утверждению второго закона термодинамики.
Многие теоретики давно были обеспокоены тем фактом, что сохранение функциональной упорядоченности живых существ приводит к накоплению полезной энергии в экосистемах и как бы опровергает второй закон термодинамики. На недостаточность второго закона термодинамики еще в конце прошлого века обратил внимание украинский ученый С. А. Подолинский (1850 -1891). Он подчеркивал наличие в природе процессов, противоположных рассеиванию энергии: процессов накопления и концентрации солнечной энергии. С. А. Подолинский приложил законы энергии к экономическим явлениям и показал роль человеческого труда в аккумуляции полезной энергии: расширении запасов продуктов питания, повышении количества концентрированной солнечной энергии, в том числе с помощью гелиотехники.
К. А. Тимирязев (1903), анализируя термодинамические функции хлорофиллового аппарата растений, считал их антиэнтропийными процессами, так как они приводят не к рассеиванию, а к концентрации солнечной энергии.
В. И. Вернардский (1928) подчеркивал, что появление жизни на Земле связано с накоплением в биосфере «активной энергии» при одной и той же исходной энергии Солнца.
Глава 3. Энергия в экосистемах
А. Е. Ферсман (1937) писал, что процессы биогенеза привели к тому, что «сложные органические соединения живого вещества оказались с еще большими запасами энергии, и законы энтропии если не нарушаются, то во всяком случае замедляются процессами жизни».
Уникальные функции преобразования солнечной энергии в концентрированную энергию органических веществ в природе выполняют растения. Все формы жизни - это крошечные «хранилища» порядка, который поддерживается созданием моря беспорядка в окружающей их среде. Чем больше развита цивилизация, тем больше ее потребности в концентрированной энергии. Следовательно, современные промышленно развитые сообщества повышают энтропию окружающей среды, т. е. разрушают ее в больших масштабах, чем на любом предыдущем этапе человеческой истории.
Совместимость второго начала термодинамики со способностью живых систем создавать высокоорганизованные структуры и поддерживать в них порядок обосновал нобелевский лауреат И. Пригожий (1962, 1986, 1994). Он показал, что способность к самоорганизации может встречаться, в системах, далеких от равновесных, но обладающих хорошо развитыми «диссипа-тивными структурами»(рассеивающими структурами), откачивающими неупорядоченность. Упорядоченность природной экосистемы, т. е. структура биоценоза, поддерживается за счет дыхания всего сообщества организмов, которое постоянно «откачивает» из нее неупорядоченность, т. е. рассеивает тепло.
Дыхание упорядоченной биомассы выполняет функции «диссипативных структур» экосистем.
Без дыхания энтропия любой биосистемы растет, и она в конце концов погибает.
В экосистеме отношение общего дыхания сообщества (Д) к его суммарной биомассе (Б), т. е. Д/Б, можно рассматривать как отношение затрат энергии на поддержание порядка, необходимого для жизнедеятельности, к потенциальной энергии, заключенной в биомассе, т. е. как меру термодинамической упорядочен-
Глава 3. Энергия в экосистемах
Глава 3. Энергия в экосистемах
ности. Если в закрытой системе резко увеличивается биомасса (Б), то уменьшаются затраты энергии, необходимые для поддержания упорядоченности системы (Д), которая постепенно разрушается и погибает.
Экосистемы с энергетической точки зрения представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая тем самым энтропию внутри себя, но увеличивая ее вовне, в соответствии с законами термодинамики.
Для оптимизации использования энергии природная система создает хранилища концентрированной потенциальной энергии, часть которой тратит на получение новой и поддержание порядка: обеспечивает круговорот веществ, обмен с другими системами, создает механизмы устойчивости и др.
Все типы неживых систем регулируются теми же законами термодинамики, которые управляют живыми системами. Различие заключается в том, что живые системы, используя часть имеющейся внутри них запасенной потенциальной энергии, способны самовосстанавливаться и поддерживать порядок, а машины приходится ремонтировать за счет внешней энергии.
Живая материя отличается от неживой прежде всего способностью аккумулировать из окружающего пространства свободную энергию, концентрировать ее и качественно преобразовывать, чтобы противостоять росту энтропии внутри себя.
Следовательно, порядок, создаваемый энергетическими потоками в экосистемах, связан с изменением качества аккумулирован-ной живыми организмами энергии.
■ Виды и формы энергиибывают самыми разнообразными. Обычно выделяют два вида энергии: кинетическую и потенциальную.
Кинетическая энергиязависит от скорости движения и массы материального объекта. Такой энергией обладают движущийся автомобиль, летящая пуля, электрически заряженные частицы и др.
Потенциальная энергия- это «запасенная» энергия покоя, которая может быть использована. Это энергия камня, лежащего на земле, заряда динамита, внутренняя энергия атомного ядра, химическая энергия молекул бензина, угля, белков, жиров или любых других органических веществ, потребляемых с пищей.
На самом деле единственным первоисточником энергии, обеспечивающим жизнь на Земле, является Солнце. Около 90 % энергии, идущей на нагревание Земли и зданий, - это не энергия топлива, а бесплатная и фактически неисчерпаемая прямая солнечная энергия. Если бы не эта энергия, температура на Земле была бы минус 270 °С и земная жизнь вообще не могла бы возникнуть. Солнечная энергия - это не только прямое солнечное тепло, но и различные вторичные формы энергии, возникающие при ее превращении в биосфере. К вторичным формам солнечной энергии относятся энергия падающей и текущей воды (гидроэнергия), ветра, биомассы растений, древесины, ископаемого топлива и др.
Формы энергии различаются по способности производить полезную работу. Ю. Одум (1986) пишет: «Не все калории одинаковы, т. е. одинаковые количества разных форм энергии могут сильно различаться по своему рабочему потенциалу». Энергия слабого ветра, прибоя может произвести небольшое количество работы. Концентрированные формы энергии (нефть, уголь и др.) обладают высоким рабочим потенциалом. Энергия солнечного света по сравнению с энергией ископаемого топлива обладает низкой работоспособностью, а по сравнению с рассеянной низкотемпературной теплотой - высокой.
Поскольку первый закон термодинамики утверждает невозможность исчезновения энергии, то может создаться впечатление, что она всегда будет существовать в достаточном количестве. Однако бензин в баке автомобиля постепенно исчезает, так же как и энергия батарейки карманного фонарика. Если энергия не может исчезнуть, то что же мы теряем? Ответ один -мы теряем работоспособность энергии, т. е. ее качество.
Глава 3. Энергия в экосистемах
Следовательно, энергия характеризуется не только количеством, но и качеством. Одинаковое количество энергии может совершать разное количество работы в зависимости от ее качества.
Качество энергии- ее способность совершать работу, т. е.
ее ЭКСерГИЯ(гр. вх - высшая степень, ergon - работа).
Эксергия- это максимальная работа, которую совершает термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние физического равновесия с окружающей средой.
Эксергией называют полезную долю участвующей в каком-то процессе энергии, величина которой определяется степенью отличия какого-то параметра системы (температуры, давления и др.) от его значения в окружающей среде.
Пояснить понятие эксергии можно на примере теплоты. Температура есть мера концентрации теплоты и средней скорости движения атомов и молекул в данный момент. Например, общее количество теплоты в океане огромно, но концентрация его низкая и средняя температура воды невысока. А чашка горячего чая обладает небольшим количеством теплоты, но концентрация ее высокая и температура тоже высока.
Если количество энергии Q имеет высокую температуру Тъ, а температура окружающей среды Т0 меньше Тъ, то система совершает работу А1 = Q [Тв- Т0)/Тв. Если то же количество энергии Q имеет низкую температуру Тн < Тъ, то при условии Тн > Т0 система выполнит работу А7 = Q [Гн - TQ)/TH. Очевидно, что работа, выполненная концентрированной высокотемпературной тепловой энергией И,, больше работы, выполненной таким же количеством низкотемпературной тепловой энергии А^, так как при одном и том же количестве энергии О эксергия ее в первом случае больше.
Безразмерная величина (Тъ - Т0)/Тъ или {Ти - Т0)/Ти может характеризовать эксергию, или качество энергии Q. Она выра-
Глава 3. Энергия в экосистемах
жается в долях (меняется от 0 до 1) или процентах (от 0 до 100 %). При Тъ = TQ или Тн = TQ не может быть выполнено никакой работы, эксергия равна 0. Только если температура окружающей среды близка к абсолютному нулю, величина [Т- Т0)/Тбудет приближаться к предельному значению, т. е. к 1 (или 100 %).
Энергия высокого качествахарактеризуется высокой эксергией, большой степенью упорядоченности или концентрации и обладает низкой энтропией. Носителями таких форм энергии являются: электричество, уголь, нефть, газ, бензин, сконцентрированная солнечная энергия, ядра урана-235, высокотемпературное тепло.
Энергия низкого качествахарактеризуется низкой эксергией и концентрацией, неупорядоченностью и высокой энтропией. Носителем такой энергии является низкотемпературное тепло, находящееся в окружающем воздухе, в реке, озере, океане. Например, общее количество низкотемпературного тепла в Атлантическом океане больше количества энергии во всех нефтяных месторождениях Саудовской Аравии. Но океаническое тепло настолько рассеяно, что его нельзя практически использовать для полезной работы, так же как и тепло, рассеянное в воздухе.
Для создания энергии более высокого качества необходимы затраты энергии более низкого качества. Поток солнечной энергии, вовлекаемый в цепь превращений в экосистемах, образует порядок и повышает эксергию преобразованной части •нергии.
В природе показателем качества энергии может служить количество калорий солнечного света, которое должно рассеяться, чтобы образовалась 1 калория более высококачественной формы энергии.
Преобразование солнечного света в пищевой цепи, или цепи генерации электричества, или другой цепи превращений сопро-вождается уменьшением количества и повышением качества аккумулированной на каждом этапе энергии (рис. 3.4, 3.5).
Глава 3. Энергия вэкосистемах
Глава 3. Энергия в экосистемах
Рис. 3.4.Изменение количества и качества энергии в пищевой цепи (по Ю. Опуму, 1986, с изменениями)
Рис.3.5. Изменение количества и качества энергии в цепи генерации электричества (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями)
Чтобы образовалась 1 ккал биомассы растения, требуется приблизительно в 10 раз меньше килокалорий солнечного света, чем для образования 1 ккал биомассы растительноядного животного и в 100 раз меньше, чем для образования 1 ккал биомассы хищника. Способность совершать работу единицы биомассы животного в соответствующее число раз выше, чем такой же биомассы растений (рис. 3.4). Рабочий потенциал электричес- кой энергии также во много раз выше рабочего потенциала древесины (рис. 3.5).
Показанные на рис. 3.4 и 3.5 схемы, конечно, условны. Многие исследователи пытались рассчитать количество энергии, аккумулированной на каждом этапе пищевой цепи, в реальных
экологических системах. Приведем некоторые данные для разных экосистем (рис. 3.6): поля люцерны (Ю. Одум, 1975), реки в Африке (В. Klimuszko, 1995), озеро Каюга в США (П. Рейвн и др., 1990), горячего источника Сильвер-Спрингс в шт. Флорида (Ф. Дре, 1976).
Рис. 3.6. Изменения количества и качества энергии в природных экосистемах на разных трофических уровнях («а» меняется от 1 до 9)
На рис. 3.6 видно, что количество солнечной энергии при превращении ее в биомассу растений и далее в биомассу травоядных и хищников на каждом этапе уменьшается на один-два порядка. Соответственно и качество ее по сравнению с качеством солнечной энергии возрастает на 1-2 порядка. В сущности, качество энергии измеряется длиной пути, пройденного ею от Солнца до конечного потребителя.
Глава 3. Энергия в экосистемах
Глава 3. Энергия в экосистемах
В табл. 3.1 показано число килокалорий некоторых видов энергии, необходимое для получения 1 ккал условного топлива. Таблица позволяет также выразить энергию различных видов в эквиваленте условного топлива (уголь, нефть, газ).
Таблица 3.1
Затраты энергии разного вида на получение 1 ккал условного топлива (по Г. Одуму, Э. Одум, 1978)
Источник энергии | Затраты энергии на получение 1 ккап условного топлива, ккал | Эквивалент условного топлива на 1 ккал |
Рассеянная | ||
тепловая энергия | 10 000 | 0,0001 |
Солнечный свет | 2 000 | 0,0005 |
Биомасса растений | 0,05 | |
Древесина | 0,5 | |
Каменный уголь, нефть 1 | 0,25 | |
Электроэнергия |
Следовательно, рабочий потенциал ископаемого топлива в 2000 раз выше, чем рабочий потенциал солнечного света, но в 4 раза ниже рабочего потенциала электроэнергии. Чтобы солнечный свет выполнял работу, равную работе, производимой углем или нефтью, его надо сконцентрировать или повысить его качество в 2000 раз. Люди не смогут перевести автомобили и другие механизмы на солнечную энергию до тех пор, пока не найдут дешевого способа повышать ее качество.
Второй закон термодинамики подразумевает также, что практически невозможно восстановить или повторно использовать высококачественную энергию для выполнения полезной работы.
3.2. Потоки энергииВ естественных природных экосистемах в пищевых цепяхне существует отходов. Все организмы,
живые или мертвые, являются пищей для других организмов: листву поедает гусеница, гусеницу съедает дрозд, дрозд становится жертвой совы, сова - ястреба и т. д. Когда листья,гусеницы, дрозды и совы умирают, они перерабатываются редуцентами, возвращающими минеральные вещества растениям.
Перенос энергии пищи в процессе питания от ее источника через последовательный ряд живых организмов называется пищевой, или трофической цепью.
Трофические цепи- это путь однонаправленного потока солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые организмы экосистемы в окружающую среду, где неиспользованная часть ее рассеивается в виде низкотемпературной тепловой энергии.
Трофические цепи делятся на два основных типа: пастбищные И детрИТНЫе (лат. detrytys - продукт распада).
Пастбищная цепьпростирается от зеленых растений к консументам: растительноядным животным и затем к плотоядным животным (хищникам).
Детритная цепьначинается с мертвого органического вещества - детрита, который разрушается детритофагами (лат. phagos -пожиратель), поедаемыми мелкими хищниками, и заканчивается работой редуцентов, минерализующих органические остатки.
Все организмы экосистем вовлечены в сложную сеть пищевых взаимоотношений. Пищевые цепи тесно переплетаются друг с другом, образуя пищевые, или трофические сети.
При каждом очередном переносе большая часть (80 - 90 %) потенциальной энергии пищи рассеивается, переходя в теплоту.
А, = П, + Д, + Н,.
Корм, ассимилированный первичными консументами (А2), лишь в небольшом количестве используется для образования продукции (П2); в основном же он затрачивается на дыхание (Д2), частично остается неиспользованным (Н2) и выводится из организма с экскрементами (Э,). Таким образом, энергетический поток, проходящий через второй трофический уровень (А2), равен
Рис. 3.7. Поток энергии в пастбищной и детритной пищевых цепях: П. - валовая первичная продукция; П, - чистая первичная продукция; П2, П3 - вторичная продукция; А, - поглощенный растениями солнечный свет; А2 и А3 - корм, ассимилированный первичными и вторичными консументами; Д,, Д2, Д^ - траты энергии на дыхание; Н,, Н2, Н3 - неиспользованная часть корма; Э,, Э, - экскременты; ДФ - детритофаги; Р - редуценты
Глава 3. Энергия в экосистемах
Энергетический поток, проходящий через третий трофический уровень (А3), подразделяется аналогично предыдущему:
Аз = П3 + Д3 + Н3 + Э2. Схема показывает, что количество энергии в пищевой цепи выраженное количеством образованной продукции, на каждом
трофическом уровне уменьшается:
П, > П2 > П3 и т. д.
Затраты на дыхание обычно больше энергетических затрат на увеличение массы организма. Например, в годовом бюджете энергии в популяции крапивника из общего количества используемой пищи (127 ккал/м2-год) только 17 ккал/м2-год (около 13 %) расходуется на продукцию (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Годовой бюджет энергии в популяции крапивника, ккал.м2.год' (по Ю. Одуму, 1975)
Количественные соотношения первичной и вторичной продук- ции в экосистемах подчиняются правилу пирамиды.
Экологические пирамидыотражают законы распределения количества энергии в пищевых цепях: показывают, что на каждом предыдущем трофическом уровне количество энергии, аккумулированной s единицу времени, больше, чем на последующем. Они графически изображаются в виде поставленных друг
на друга прямоугольников равной высоты, длина которых соот-ветствует масштабам продукции на соответствующих трофических уровнях. Эта закономерность справедлива не только для энергии, но и для численности, и биомассы организмов.
Первоначально экологическая пирамида была построена
Ч. Элтоном (1927) как пирамида чисел (рис. 3.9). Позже строились пирамиды распределения по трофическим уровням
Рис. 3.9. Пирамида чисел Ч. Элтона (1927)
Но пирамиды чисел, как и пирамиды биомасс, не всегда имеют классический вид. Например, когда мелкие хищники жи-вут за счет групповой охоты на крупных животных, пирамида чисел может иметь вид перевернутой пирамиды. Для океана пирамиды биомасс также имеют перевернутый вид, так как там существуют тенденции к накоплению биомассы на высших трофических уровнях крупными растительноядными, как кит, например, или хищными, как акула, животными, длительность жизни которых велика, а скорость размножения мала, поэтому в их
Глава 3. Энергия в экосистемах
Глава 3. Энергия в экосистемах
телах задерживается значительная часть веществ, поступающих по цепям питания. Лишь пирамиды накопленной энергии всегда имеют классический вид (рис. 3.10).
Пирамида энергии
Рис. 3.10. Пирамиды чисел, биомасс и энергии (по Ю. Одуму, 1975)
На первом трофическом уровне в энергию пищи превращается лишь около 1 % солнечного света. Вторичная продукция на каждом последующем трофическом уровне консументов составляет около 10 % от предыдущей. Если питательная ценность источника энергии велика, то эффективность ее усвоения может быть и выше, однако, средняя эффективность не превышает 10 - 20 %.
Эта закономерность носит название закона Линдемана, открытого им в 1942 г., или «правила 10 %». Согласно этому закону в среднем только 10 % от количества энергии, поступившей на трофический уровень, передается организмам, находящимся на последующем трофическом уровне. Так, количество энергии, которое доходит до третичных консументов, составляет около 10-4 энергии, поглощенной продуцентами. Это объясняет ограниченное число звеньев в пищевой цепи: пять и очень редко шесть.
Важное экологическое значение имеет соотношение между долями аккумулированной энергии, расходуемой на продукцию и дыхание (П/Д). Часть энергии, идущая на дыхание, т. е. на поддержание структуры биомассы, велика в популяциях крупных организмов (люди, деревья). А в популяциях мелких организмов (бактерии, водоросли) сравнительно велика доля энергии, идущей на образование продукции.
V молодых затраты на рост могут достигать значительных величин, в то время как взрослые используют энергию пищи почти исключительно на дыхание. Интенсивность образования продукции снижается с возрастом. При стрессовых воздействиях на систему возрастает дыхание.
Следует учитывать, что желание повысить продукцию пищи (П), например в агроэкосистемах, обязательно обернется увеличением затрат на поддержание их структуры (Д). Может наступить предел, после которого выигрыш от роста продукции сведется на нет ростом расходов на дыхание.
Продуктивность экосистем- это скорость, с которой живые организмы экосистемы производят полезную химическую энергию, заключенную в их биомассе. Продуктивность рассчитывается как количество энергии, аккумулированной организмами за единицу времени на единице площади (для наземных экосистем) или в единице объема (для водных экосистем).
Единицами измерения могут быть: количество сконцентрированной в биомассе энергии (ккал/м2сут иликкал/м2год) или количество связанного в биомассе углерода (г С/м2-сут или г С/м2год). Продуктивность растений можно выражать в количестве выделенного кислорода (г О2/м2-сут или г О2/м2год). При этом 1 ккал энергии эквивалентна 0,1068 г углерода С и 0,2849 г кислорода О2.
Следовательно, продуктивность экосистем характеризует их способность концентрировать солнечную энергию в продукции органических веществ биомассы различных организмов. Различают следующие виды продукции:
Глава 3. Энергия в экосистемах
Валовая первичная продукция- органическое вещество,
которое синтезируется растениями в единицу времени на единице площади или объема, включая ту его часть, которая расходуется на дыхание растений.
Чистая первичная продукция- органическое вещество, накопленное в растительных тканях в единицу времени на единице площади или объема, за вычетом той части, которая израсходована на дыхание растений за то же время.
Чистая первичная продукция экосистемы- это чистая первичная продукция органического вещества в экосистеме за вычетом той ее части, которая была ассимилирована консумен-тами в единицу времени на единице площади или объема.
Вторичная продукция экосистемы- органическое вещество, синтезированное на уровне консументов в единицу времени на единицу площади или объема.
Чистая первичная продукция может считаться главным источником питания для животных. Эта величина используется для оценки потенциала пищевых ресурсов для животных и человека.
Лишь сравнительно небольшая часть биосферы является плодородной в естественных условиях. Продуктивность экосистем определяется лимитирующими факторами: наличием воды, питательных солей, интенсивностью солнечной радиации, способностью системы использовать биогенные вещества и др.
Лимитрующие факторы в разных экосистемах различны. В пустыне - это вода, в глубоководных зонах моря - освещенность и недостаток питательных солей, в Арктике и Антарктике - низкие температуры. Эти районы представляют собой, по существу, «биологические пустыни» с очень низкой среднегодовой первичной продукцией. Рапределение первичной продукции в разных экосистемах мира показано на рис. 3.11.
Суммарные величины первичной продукции основных экосистем отличаются от их среднегодовой продуктивности. Так, суммарная продукция открытого океана составляет около 200 млрд ккал/год,
Глава 3. Энергия в экосистемах
а среднегодовая - не превышает 500 ккал/м2тод, в то время как среднегодовая первичная продукция эстуариев составляет около 9000 ккал/м2тод при суммарной продукции 20 млрд ккал/год. Эти цифры не должны вводить в заблуждение. Суммарная продукция океана велика потому, что его площадь составляет 71 % поверхности планеты. Но его среднегодовая продуктивность с 1 м2 очень низка. Добыча водорослей и трав, рассеянных на огромной площади, требует затрат энергии, намного превышающих количество химической энергии в собранных морских водорослях.
Рис. 3.11. Распределение валовой первичной продукции в различных экосистемах биосферы
Структура экосистемы также влияет на ее продуктивность. Первичная продукция лиственного леса обычно превосходит продукцию пшеничного поля благодаря наличию вертикальной ярус-ности, когда каждый ярус (деревья, кустарник, подрост, трава) поглощает некоторую часть солнечной энергии.
Население Земли составляет около 6,0 млрд человек, каждому требуется ежегодно почти 1 млн ккал пищи, т. е. человече-
Глава 3. Энергия в экосистемах
ству необходимо только на питание 6-1015 ккал энергии. В мире ежегодно собирается около 7-1015 ккал первичного органического вещества, но из-за неравномерного распределения, потерь и низкого качества части урожая этого количества энергии оказывается недостаточно. Кроме того, человек использует первичную продукцию не только как пищу, но и в виде волокон (хлопок, лен), и в качестве топлива (древесина и др.). В некоторых странах деревья сжигают гораздо быстрее, чем они могут расти, и леса превращаются в пустыни.
При разработке будущей стратегии в стране и в мире в целом необходимо руководствоваться важнейшим принципом - использовать энергию такого качества, которое соответствует выполняемой работе.
Горючие ископаемые и атомная энергия должны идти в основном на поддержание механизмов, требующих высококачественной энергии (самолетов, космических кораблей, автомобилей и др.); не следует их тратить в котельных и печах там, где обогревать дома может Солнце. Запасы нефти и угля сохранятся дольше и позволят выиграть время для разработки технологий получения высококачественной энергии.
Одновремено необходимо разрабатывать меры по сохранению как количества, так и качества энергии. Сохранение количества энергии - обычная экономия энергии, т. е. искусство сбережения, снижения утечек, потерь и др. Сохранение качества энергии - это задача устранения ее деградации, потерь рассеивающегося тепла.
Энергию высокого качества нельзя использовать вторично, но можно замедлить потери тепла в окружающую среду при трансформации высококачественной энергии в низкокачественную, т. е. сберегать ее эксергию. Например, плохо изолированный дом в холодное время теряет тепло с такой же скоростью, с какой оно производится. Напротив, герметичное здание может удерживать тепло от нескольких часов до трех-четырех суток. Снижение температуры - эксергоразрушительный процесс, а рециркуляция теплоты - эксергосберегающий.
В некоторых административных зданиях тепло, излучаемое светильниками, компьютерами и другими приборами, аккумулируют и направляют на отопление при холодной погоде или на охлаждение воздуха при жаркой погоде. Тепловые выбросы промышленных предприятий и станций можно использовать для обогрева зданий, теплиц, прудов. Подсчитано, что если при эксплуатации
Глава 3. Энергия в экосистемах
всех паровых котлов в США станет использоваться выбрасываемое тепло, то будет получено столько же электроэнергии, сколько могли бы произвести от 30 до 200 электростанций (в зависимости от технологии), работающих на ядерном топливе или на угле. Это значительно снизило бы стоимость электроэнергии.
Основой для энергооборота в будущем должны быть экономия энергии, эффективное ее использование и разработка эксергосберегающих технологий.
■ Энергия и деньгитесно взаимосвязаны. Не деньги, а именно энергия является истинной «валютой» в нашем мире.
Энергетическая теория экосистем позволяет включить «бесплатную» работу природы в разряд экономических ценностей и таким образом вывести экономические системы на уровень экологических.
Мировая экономика в конечном счете зависит от основных природных экосистем - морских, пресноводных, наземных. По мере того как природные ресурсы истощаются, а экосистемы подвергаются стрессовым воздействиям, начинает страдать и мировая экономика: товары и услуги становятся все дефицитнее, их производство все дороже, что приводит к инфляции во всем мире.
Контрольные вопросы и упражнения
1. Приведите примеры действия двух законов термодинамики в экосистемах.
2. Приведите примеры низкоэнтропийных и высокоэнтропийных систем; какие из них более жизнестойкие?
3. Почему природные системы могут сохранять упорядоченность?
4. В каких формах и видах существует энергия?
5. Как можно характеризовать качество энергии?
6. Дайте определение эксергии.
7. Чем отличается высококачественная энергия от низкокачественной?
Глава 3. Энергия в экосистемах
8. Во сколько раз рабочий потенциал ископаемого топлива больше рабочего потенциала солнечного света?
9. Как превращается энергия в пищевой цепи? Нарисуйте схему.
10. Какие трофические уровни в пищевой цепи занимают продуценты и консументы первого, второго и третьего порядков?
11. Какие трофические уровни занимает человек?
12. Хищные рыбы в озере используют в пищу мелкую рыбу (69 ккал/м2тод), мальков (29 ккал/м2тод), другие живые организмы (38 ккал/м2год). С экскрементами выделяется 31 ккал/м2тод, на дыхание расходуется 83 ккал/м2год. Какой процент поступившей энергии используется на рыбопродуктивность?
13. Какую закономерность отражают экологические пирамиды? Чем отличаются пирамиды энергии от пирамид чисел и биомассы?
14. Дайте определения валовой, чистой и вторичной продукции экосистем.
15. В каком виде поступают энергетические дотации в природные и антропогенные экосистемы?
16. Перечислите энергетические типы экосистем.
17. Как оценивается эффективность использования энергии?
18. Какая энергия называется чистой?
19. При каких видах работ целесообразно использовать первичную солнечную энергию?
20. Рентабельно ли использовать электроэнергию АЭС для теплоснабжения жилых домов?
21. Как взаимосвязаны потоки энергии и денег? Нарисуйте схему.
22. Исходя из средней зарплаты по стране (выразите в долларах США), рассчитайте, сколько энергии тратится для обеспечения жизнедеятельности и деловой активности работающего человека в России за год, если 1 доллар эквивалентен 25000 ккал.
Глава 3. Энергия в экосистемах
23. Исходя из средней пенсии по стране (выразите в долларах США), рассчитайте, сколько энергии тратится для поддержания жизнедеятельности пенсионера в России за год.
24. Какой подход позволяет «бесплатную» работу природы оценить в денежных единицах?
ГЛАВА 4
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ
Глава 4. Круговорот веществ
4.1. ГлобальныйСолнечная энергия обеспечивает на Земле круговоротдва круговорота веществ: большой, или геоло-веществгический (абиотический) и малый, или биологический (биотический).
■ Большой круговоротнаиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды.
В основе большого геологического круговорота лежит процесс переноса веществ, в основном минеральных соединений, из одного места в другое в масштабе планеты.
Около 30 % падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, испарение воды, выветривание горных пород, растворение минералов и т. п. Движение воды и ветра, в свою очередь, приводит к эрозии почв и горных пород, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся в море напластования могут возвращаться на поверхность суши, и процессы возобновляются. К этим циклам подключаются вулканическая деятельность, землетрясения и движение океанических плит в земной коре.
Круговорот воды,включающий ее переход из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно, - один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ. В процессе гидрологического цикла происходят перераспределение и очистка планетарного запаса воды.
В круговороте воды суммарное испарение компенсируется выпадением осадков. Особенность круговорота в том, что из океана испаряется воды больше - примерно 3,8 геограмма в год (1 геограмм равен 1020 г, или 10м т), чем возвращается с осадками - около 3,4 геограмма в год. На суше, наоборот, осадков выпадает больше - примерно 1,0 геограмм, а суммарно испаряется около 0,6 геограмма ежегодно. Поэтому значительная часть осадков, используемых экосистемами суши, втом числе и агроэкосистемами, производящими пищу для чело-
Глава 4. Круговорот веществ
века, состоит из воды, испаряющейся из моря. Излишки воды с суши стекают в озера и реки, а оттуда снова в океан. По существующим оценкам, в пресных водоемах содержится 0,25 геограмма воды, а годовой сток составляет 0,2 геограмма. Часть пресной воды, возвращающейся в виде осадков, замерзает в ледниках. Таким образом, время оборота пресных вод составляет примерно один год. Разность между количеством осадков, выпадающих на сушу за год (1,0 геограмм), и стоком (0,2 геограмма) составляет 0,8 геограмма, которые испаряются и поступают в подпочвенные водоносные горизонты. Поверхностный сток частично пополняет резервуары грунтовых вод и сам пополняется от них (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Круговорот воды в биосфере: годовой объем испарения и осадков указан в геограммах
С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к физическому явлению превращения
Глава 4. Круговорот веществ
воды в пар добавился процесс биологического испарения, связанный с жизнедеятельностью организмов, - транспирация. Соотношение количества воды, выделившейся в результате транспи-рации и испарения, меняется в зависимости от местных условий. В тропическом влажном лесу количество воды, испаряемой растениями, более чем в два раза превышает испарение с той же площади растениями саванны, расположенной на той же широте и высоте. Растительность в целом играет значительную роль в испарении воды, влияя тем самым на климат регионов. Она является также водоохранным и водорегулирующим фактором: смягчает паводки, удерживая влагу в почвах и препятствуя их иссушению и эрозии.
Общие запасы воды на Земле оцениваются приблизительно в 1386 млн км3. Соленая вода составляет около 97,5 % от объема водной массы, на мировой океан приходится 96,5 %. Объем пресных вод, по разным оценкам, составляет 35 - 37 млн км3, или 2,5 - 2,7 % от общих запасов воды на Земле. Большая часть пресных вод (68 - 70 %) сосредоточена в ледниках и снежном покрове.
Энергетика гидрологического цикла представлена в виде двух энергетических путей. Движение вверх (испарение) осуществляется за счет солнечной энергии, часть которой вода поглощает. При выпадении осадков она отдает энергию озерам, рекам, заболоченным землям, другим экосистемам и непосредственно человеку, например на ГЭС (рис. 4.2).
Около трети поступающей солнечной энергии затрачивается на движение воды. Это еще один пример «безвозмездной услуги», которую оказывает людям Солнце.
Деятельность человека оказывает огромное влияние на
глобальный круговорот воды. В результате покрытия земной поверхности непроницаемыми материалами, строительства оросительных систем, уплотнения пахотных земель, уничтожения лесов и т. п. сток воды в океан увеличивается и пополнение фонда грунтовых вод сокращается.
Рис. 4.2. Энергетика гидрологического цикла (по Ю. Одуму, 1986)
Во многих сухих областях резервуары подземных вод выкачиваются человеком быстрее, чем заполняются. В засушливых районах США (западная часть Оклахомы, Техас, Канзас), например, подземные горизонты наполнены водой, накопившейся в более влажные геологические периоды, и теперь количество ее не увеличивается. Вода здесь - невозобновляемый ресурс, подобно нефти, и основные ее источники будут исчерпаны через 30 - 40 лет.
Рост объема поверхностного стока, в свою очередь, увеличивает риск наводнений и усиливает эрозию почв.
В России для водоснабжения и орошения земель разведано 3367 месторождений подземных вод, эксплуатационные запасы которых составляют 28,5 км3/год. Степень освоения этих запасов
135
Глава 4. Круговорот веществ
на 1996 г.составляет в РФ не более 33 %, а в эксплуатации находится около 1600 месторождений. Но в результате интенсивного водозабора в эксплуатируемых скважинах в уровен-ной поверхности подземных вод сформировались депрессивные воронки площадью 50 000 км2, а снижение уровня в центре воронки - 80 - 130 м (Москва, Брянск,Санкт-Петербург, Курск).
■ Малый круговорот.На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый, биологический (биотический) круговорот. В 1927 г. советский ученый В. Р. Вильямс писал: «Из большого, абиотического, круговорота веществ на земном шаре вырывается ряд элементов, которые, постоянно увлекаемые в новый, малый, по сравнению с большим, биологический круговорот, надолго, если не навсегда, вырываются из большого круговорота и вращаются непрерывно расширяющейся спиралью в одномнаправлении в малом, биологическом, круговороте».
В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органическихсоединений. Эти двапроцесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей.
В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества, как уже упоминалось, затрачивается всего около 1 % падающей на Землю лучистой энергии. Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную работу по созиданию живоговещества. Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую для других организмов форму.
Все абиотические и биотические планетарные циркуляции веществ тесно переплетены и образуют общий глобальный круговорот, перераспределяющий энергию Солнца.
Глава 4. Круговорот веществ
Иными словами, все химические элементы участвуют и в большом, и в малом круговороте веществ, перемещаясь из неживой среды в живые организмы и обратно, образуя биогеохимические циклы.
Биогеохимические циклы- это более или менее замкнутые пути движения химических элементов в живых организмах («био»), в твердых породах, воздухе и воде («гео»). В круговороте элементов различают две части: резервный фонд- большая небиологическая часть медленно движущихся веществ и обменный фонд- меньшая, но более подвижная часть, которая быстро обменивается между организмами и окружающей их средой. Резервный фонд называют «недоступным», а обменный - «доступным» (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Биогеохимические циклы на фоне упрощенной схемы потока энергии: Пв, Пч, Пвт - валовая, чистая и вторичная продукция; -> - энергия; -> - вещества
Из более чем ста химических элементов, встречающихся в природе, 30 - 40 являются биогенными, т. е. необходимы организмам. Некоторые из них (углерод, водород, кислород, азот, фосфор) нужны организмам в больших количествах - макроэлементы, другие - в малых или даже ничтожных - микроэлементы.
Глава 4. Круговорот веществ
Следует иметь в виду, что циклы с малым объемом резервного фонда более подвержены воздействию человека. Биогеохимические циклы делятся на два типа: газообразные циклы с резервным фондом химического элемента в атмосфере и гидросфере и осадочные циклы с резервным фондом в земной коре. Главными биогеохимическими циклами, обеспечивающими жизнь на планете (кроме круговорота воды), являются циркуляции углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных макроэлементов. Рассмотрим некоторые из них.
4.2. Циклы газооб-Биогеохимические циклы углерода и разных веществазота - примеры наиболее важных газообразных циклов биогенных веществ. Углерод поступает в биологический круговорот в виде СО2, который усваивается растениями, а азот - в виде газообразного азота N2, который используется азотфиксирующими организмами. Доступные запасы этих газов содержатся в атмосфере.
■ Круговорот углерода.Углерод - основной строительный материал молекул важных для жизни органических соединений (углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот - ДНК, РНК и др.). Растения получают его, поглощая СО2 из атмосферы. Сейчас запасы углерода в атмосфере в виде СО2 относительно невелики в сравнении с его запасами в океанах и земной коре (в виде ископаемого топлива). Но твердые формы углерода продуценты усваивать не могут.
В другие геологические эпохи содержание СО2 в атмосфере было в 6 - 10 раз выше.
Вспомним, как образовалась современная земная атмосфера с низким содержанием углекислого газа и высоким содержанием кислорода. Более 3 млрд лет назад до появления жизни атмосфера Земли, подобно современной атмосфере Юпитера и других планет, состояла из вулканических газов. В ней было много СО2 и мало (или совсем не было) кислорода. Первые организмы были анаэробными, т. е. жили в отсутствие кислорода. В результате того, что скорость образования органических веществ в среднем превышала скорости их разложения, в атмосфере стал появляться О2.
Накопление кислорода началось с докембрия, и к началу палеозоя его содержание в атмосфере не превышало 10 % от современного. В дальнейшем оно неуклонно росло. Предполагают, что в истории Земли были периоды, когда концентрация кислорода превышала современную. Сейчас наличный запас свободного кислорода оценивается приблизительно в 1,6 1015 т. Современные зеленые растения могут воссоздать такое
Глава 4. Круговорот веществ
количество за 10 000 лет. Накоплению кислорода, по-видимому, способствовали также геологические и физико-химические процессы.
Биотическая циркуляция углерода в биосфере основана на потреблении С02 из атмосферы и его поступлении в атмосферу.
Потребление углекислого газа из воздухапроисходит главным образом:
1) в процессе фотосинтеза С02 + Н20 —> СН20 + 02;
2) в реакциях его с карбонатами в океане С02 + Н20 + СаСО3 -> Са(НС03)2;
3) при выветривании горных пород Fe2S3 + 6С02 + 6Н20 —> 2Fe(HC03)3 +3H2S.
Поступление углекислого газа в атмосферув современных условиях происходит в результате:
1) дыхания всех организмов;
2) минерализации органических веществ;
3) выделения по трещинам земной коры из осадочных пород (имеют также биогенное происхождение);
4) выделения из мантии Земли при вулканических извержениях (незначительная часть - до 0,01 %);
5) сжигания древесины и топлива (рис. 4.4).
Низкое содержание СO2 и высокие концентрации O2 в атмосфере сейчас служат лимитирующими факторами для фотосинтеза, а зеленые растения и карбонаты океана являются регуляторами этих газов, поддерживающими относительно стабильное их соотношение (0,03 % и 21 %).
Таким образом, «зеленый пояс» Земли и карбонатная система океана являются буферной системой, которая поддерживает относительно постоянное содержание СO2 в атмосфере.
Полагают, что до наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы.
Влияние человека на круговорот углеродапроявилось в том, что с развитием индустрии и сельского хозяйства поступле-
Глава 4. Круговорот веществ
Гпава 4. Круговорот веществ
ние С02 в атмосферу стало расти за счет антропогенных источников.
Основная масса углерода находится в земной коре в связанном состоянии. Важнейшие минералы - карбонаты, количество углерода в них оценивается в 9,6-1015 т. Разведанные запасы горючих ископаемых (угли, нефть, битумы, торф, сланцы, газы) содержат еще около 1013 т углерода. Человек тем или иным путем извлекает эти запасы из недр и постепенно увеличивает поток С02 в атмосферу: в 1800 г. концентрация С02 составляла 0,029 %, в 1958 г. - 0,0315 %, в 1980 г. - 0,0335 %, а в 1995 г. - 0,0352 %.
Главные причины увеличения содержания С02 в атмосфере - это сжигание горючих ископаемых в промышленности, на транспорте и уничтожение лесов.
При уничтожении лесов содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается при непосредственном сжигании древесины и разложении неиспользованной биомассы растений, за счет снижения фотосинтеза и при окислении гумуса почвы (если на месте лесов распахивают поля или строят города). Леса - важные накопители углерода: в биомассе лесов приблизительно в 1,5, а в лесном гумусе - в 4 раза больше углерода, чем в атмосфере.
Сельское хозяйство также приводит к потере углерода в почве, так как потребление С02 из атмосферы агрокультурами в течение лишь части года не компенсирует полностью высвобождающийся из почвы углерод, который теряется при окислении гумуса в результате частой вспашки.
Одновременное уменьшение поглотительной способности «зеленого пояса» может привести к сбою механизмов саморегуляции природной буферной системы.
Кроме С02, в атмосфере присутствуют в небольших количествах еще два углеродных соединения: оксид углерода СО (около 0,1 млн1) и метан СН4 (около 1,6 млн1). Как и С02, они находятся в быстром круговороте: время пребывания в атмосфе-
Глава 4. Круговорот веществ
ре СО - около 0,1 года, СН4 - 3,6 года, а С02 - 4 года. В естественных условиях СО и СН4 образуются при неполном анаэробном разложении органических веществ и в атмосфере окисляются до С02. Количество СО, попадающего в атмосферу при сгорании топлива, особенно с выхлопными газами, равно его естественному поступлению.
Оксид углерода - смертельный яд для человека. В глобальном масштабе его количество не представляет угрозы, но в городах концентрация этого газа достигает 100 млн-1, т. е. в 1000 раз больше естественного содержания, и становится угрожающей, особенно в районах с сильным автомобильным движением. Для сравнения приведем такие данные: курильщик (пачка сигарет в день) получает столько СО, сколько он получил бы, дыша воздухом с содержанием СО 400 млн1, т. е. вдыхание СО в насыщенных автотранспортом городах сопоставимо сего количеством, поступающим в кровь при курении табака. Это уменьшает содержание оксигемоглобина в крови на 3 % и приводит к анемии и другим заболеваниям, связанным с гипоксией (гр. hypo -низкое, ох/ - кислород): ишемической болезни, стенокардии, другим сердечно-сосудистым заболеваниям.
Следовательно, хотя человек и влияет как на потребление N2, так и на поступление его в атмосферу, эти потоки сбалансированы и не меняют его концентрацию в воздухе, в отличие от потоков С02, которые ведут к накоплению газообразного углерода в атмосфере.
4.3. Осадочные циклыДля большинства химических элементов и соединений, которые обычно связаны с литосферой, а не с атмосферой, характерны осадочные циклы. Циркуляция таких элементов осуществляется путем эрозии почв, осадкообразования, горообразования, вулканической деятельности и переноса веществ организмами. Твердые вещества, переносимые по воздуху как пыль, выпадают на землю в виде сухих осадков или с дождем. Осадочные циклы имеют общую направленность «вниз». В табл. 4.1 приведены оценки годового сноса отложений с каждого континента в океаны.
Таблица 4.1 1 Оценки годового выноса осадков с суши в океаны (по Ю. Одуму, 1986)
Часть света или материк | Площадь водосбора, млн км2 | Общий вынос, млрд т |
Европа | 9,3 | 0,32 |
Азия | 26,9 | 15,91 |
Северная Америка | 20,7 | 1,96 |
Южная Америка | 19,4 | 1,20 |
Африка | 19,9 | 0,54 |
Австралия | 5,2 | 0,23 |
Примечательно, что Азия - часть света с древнейшими цивилизациями. В течение длительной истории ее территория испытывала
Глава 4. Круговорот веществ
антропогенный пресс, который и привел к наибольшим потерям почвенного материала.
Живым сообществам доступны в основном те химические элементы, которые входят в состав пород, расположенных на поверхности Земли. Важным для биосферы элементом, недостаток которого на поверхности ограничивает рост растений, является фосфор.
Человек так изменяет движение многих веществ, участвующих в осадочных циклах, что круговороты их теряют цикличность. В результате в одних местах возникает недостаток, а в других -избыток некоторых веществ. Механизмы, обеспечивающие возвращение химических элементов в круговорот, основаны главным образом на биологических процессах минерализации органических веществ.
Из осадочных циклов наибольшее значение в биосфере имеет круговорот фосфора.
Круговорот фосфора.Фосфор - один из наиболее важных биогенных элементов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, ферментов, костной ткани, дентина, молекул АТФ и АДФ, в которых запасается химическая энергия. По сравнению с азотом он встречается в относительно немногих химических формах. В биотический круговорот фосфор поступает в процессе разрушения протоплазмы организмов и постепенно переходит в фосфаты: Р043-, НР042- и H2P041-.
Особенность биогеохимического цикла фосфора заключается в том, что, в отличие от азота и углекислого газа, резервным фондом его является не атмосфера, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи.
Циркуляция его легко нарушается, так как основная масса вещества сосредоточена в малоактивном и малоподвижном резервном фонде, захороненном в земной коре. Если «захоронение» совершается быстрее, чем обратный подъем на поверхность, то значительная часть обменного материала на длительное время
Глава 4. Круговорот веществ
выбывает из круговорота. Такая ситуация складывается часто, когда добывают фосфатные породы: свалки отходов производства возникают вблизи шахт и заводов, и эта часть фосфора выключается из биотического оборота.
Фосфор очень медленно перемещается из фосфатных пород на суше к живым организмам и обратно.
Потребляется фосфор:1) растениями и животными для построения белков протоплазмы и 2) в промышленном производстве удобрений, моющих средств и рыбопродуктов.
Поступление фосфорав биотический круговорот происходит в основном: 1) в процессе эрозии фосфатных пород (в том числе, гуано) и 2) вследствие минерализации продуктов жизнедеятельности и органических остатков растений и животных.
Образующиеся при минерализации органических веществ фосфаты поступают сотходами и сточными водами в наземные и водные экосистемы, где вновь могут потребляться растениями в процессе фотосинтеза.
Механизмы возвращения фосфора в круговорот в природе недостаточно эффективны и не возмещают той его части, которая захоранивается в осадках. Вынос фосфатов на сушу осуществляется в основном с рыбой. Но это не компенсирует их поток с суши в море. Морские птицы также участвуют в возвращении фосфора в круговорот (например, скопления гуано на побережье Перу). Однако перенос фоофора и других веществ из моря на сушу птицами сейчас происходит не столь интенсивно, как в прошлом (рис. 4.7).
Влияние деятельности человекана циркуляцию фосфора ведет к его потерям и захоронению на дне океана, что делает цикл менее замкнутым. Так, по некоторым оценкам, с морской рыбой, вылавливаемой человеком, и морепродуктами на сушу возвращается лишь около 60 тыс. т в год элементарного фосфора. Добывается же ежегодно около 2 млн т фосфорсодержащих пород. Большая часть этого фосфора попадает в море с моющими средствами, в производстве которых он используется, и с удобрениями, т. е. выключается из круговорота. Так, напри-
Глава 4. Круговорот веществ
Глава 4. Круговорот веществ
мер, потери фосфора с ненарушенных облесенных водосборных бассейнов невелики и компенсируются поступлениями с дождем и продуктами выветривания. Но ниже по течению рек, где деятельность человека активна, картина иная. С увеличением степени освоения, т. е. с увеличением площадей, занятых сельскохозяйственными полями и городами, в водах рек резко возрастает содержание фосфора. В воде, стекающей с городских территорий, в 7 раз больше этого элемента, чем в воде реки, протекающей по местности, занятой лесом.
Кроме того, в стоке с освоенных территорий до 70 % фосфора содержится в растворимых минеральных формах, а в стоке с территорий, занятых естественной растительностью, преобладают малорастворимые органические соединения фосфора. Однако смыв фосфорных удобрений с полей не столь велик, как азотных, так как в воде фосфаты малорастворимы, а в щелочной среде - практически нерастворимы и поэтому задерживаются почвенными частичками (рис. 4.8).
Исследования показали, что в наземных экосистемах большая часть фосфора находится в связанной форме и недоступна для растений. Отсюда можно сделать важный для практики вывод: избыток удобрений может оказаться столь же невыгодным, как и их недостаток. Если в почву вносится больше вещества, чем могут использовать в данный момент организмы, избыток его быстро связывается почвой, становясь недоступным именно в тот период, когда он наиболее необходим организмам.
Следовательно, источниками поступления фосфора в океаны являются: бытовые сточные воды, обогащенные фосфорсодержащими моющими средствами; промышленные сточные воды от предприятий, производящих удобрения; поверхностный сток с сельскохозяйственных угодий. Кроме того, после биологической очистки сточные воды обогащаются минеральным фосфором вследствие интенсификации минерализации органических веществ на очистных сооружениях. Правда, производство моющих средств, содержащих фосфор, в некоторых странах уже запрещено.
Глава 4. Круговорот веществ
Рис. 4.8. Зависимость концентрации фосфора в воде реки от доли освоенной площади водосборного бассейна (по Ю. Одуму, 1986)
Серьезные опасения вызывает также «цветение» воды вследствие «удобрения» ее избыточным количеством фосфатов. В результате этих процессов из-за массового развития и отмирания водорослей наблюдается вторичное загрязнение воды и захоронение фосфора с остатками водорослей в донных отложениях. Но усвоение фосфатов продуцентами сильно зависит от кислотности среды и растворимости образующихся соединений (рис. 4.9).
Рис. 4.9. Образование растворимых соединений фосфора в зависимости от кислотности
В конечном счете, теоретически потери фосфора могут привести к голоду. Если мы хотим предотвратить угрозу голода, придется серьезно заниматься возвращением фосфора в круговорот. Уповать на геологические подъемы отложений в некоторых районах
Глава 4. Круговорот веществ
Земли, которые вернут на поверхность суши «потерянные фосфа-ты», вряд ли разумно. Целесообразнее искать другие пути предотвращения потерь фосфора и прежде всего сократить его сброс в водные объекты. Следует активнее использовать сточные воды для орошения наземной растительности, которая аккумулирует фосфор на поверхности, или пропускать их через естественные водно-болотистые угодья, вместо того чтобы сбрасывать в реки.
Сохранение цикличности круговорота фосфора очень важно, потому что из всех биогенных веществ, необходимых организмам в больших количествах, фосфор - один из наименее доступных элементов на поверхности Земли. Фосфор и теперь часто лимитирует первичную продукцию экосистем, а в будущем его лимитирующее значение может резко возрасти, что грозит снижением пищевых ресурсов планеты.
Следовательно, деятельность человека приводит к потерям фосфора из круговорота, которые происходят вследствие его избыточного поступления в водоемы из антропогенных источников и последующего захоронения в глубоководных океанических осадках.
Круговороты второстепенных элементов.Второстепенные элементы, как и жизненно важные, мигрируют между организмами и средой. Многие из них концентрируются в тканях благодаря химическому сходству с какими-либо важными биогенными элементами, что может оказаться опасным для организма. Некоторые второстепенные элементы попадают в круговорот в результате деятельности человека. Угрозу представляют токсичные отходы, все в больших объемах сбрасываемые в окружающую среду, которые начинают циркулировать вместе с жизненно важными элементами. Большинство второстепенных элементов в концентрациях и формах, обычных для природных систем, не оказывают отрицательного влияния на организмы, так как последние к ним адаптированы. Но если очень редкий элемент вносится в среду в форме высокотоксичного соединения металла или искусственного радиоактивного изотопа, то даже небольшое количество его способно оказывать значительный биологический зффект.
1 5 5
Глава 4. Круговорот веществ
В качестве примеров рассмотрим стронций, цезий и ртуть. При циркуляции стронция и цезия может происходить их концентрация в тканях.
Стронций (Sr)- хороший пример ранее малоизученного элемента, который теперь служит объектом особого внимания в связи с большой опасностью его радиоактивного изотопа для человека и животных. Химические свойства радиоактивных изотопов сходны с химическими свойствами нерадиоактивных изотопов того же элемента и свойствами других элементов той же группы. По свойствам стронций похож на кальций. На 1000 атомов кальция, участвующих в биогеохимическом цикле в природе, приходится 2,4 атома стронция. При производстве ядерного оружия и работе атомных станций среди отходов обнаруживается радиоактивный стронций-90, который был неизвестен до расщепления атома человеком. Даже ничтожно малые количества радиоактивного Sr, поступающие в окружающую среду с утечками из ядерных реакторов и после испытаний атомного оружия, опасны, поскольку мигрируют вместе с кальцием. Стронций, попадая через растения и животных в пищу человека, может накапливаться в костных тканях, как и кальций. По мнению ученых, в костях человека в некоторых районах уже содержится такое количество стронция, которое может оказывать канцерогенное действие и вызывать другие эндемичные заболевания костной системы. Кроветворная ткань костного мозга особенно чувствительна к бета-излучению строн-
ция-90.
Цезий-137 (Cs-137)- другой опасный продукт деления атома. Он схож по свойствам с калием, и потому тоже очень активно циркулирует по пищевым цепям и может накапливаться в тканях человека в опасных количествах. Накопление радионуклидов в организмах растительноядных животных зависит от характера почв и растительности. В экосистемах с бедными почвами и скудной растительностью коэффициенты накопления больше. Так, у оленей, обитающих на низменной песчаной равнине,
Глава 4. Круговорот веществ
содержание цезия-137 составляет в среднем 18039 nKu/кг массы тела. А у оленей, обитающих в горах с хорошо дренированными почвами и более богатой растительностью, содержание цезия-137 составляет в среднем только 3007 nKu/кг массы тела.
Как отмечалось выше, именно неумение избавляться от опасных радиоактивных отходов пока мешает более широкому применению атомной энергии в мирных целях.
Биогеохимический цикл ртути Hg- пример круговорота природного элемента, который почти не влиял на организмы до наступления индустриальной эры. Ртуть химически малоподвижна, а концентрации ее в природе невелики. Разработка месторождений и промышленное использование увеличили поток ртути в атмосферу. Соответственно увеличился и её сток со сточными и поверхностными водами. Увеличение содержания ртути, как, впрочем, и других тяжелых металлов (кадмия, меди, цинка, хрома), в окружающей среде стало серьезной проблемой. Ртуть используется в различном электротехническом оборудовании, термометрах, зубных пломбах, лекарствах, красках, фунгицидах и др. Больше половины расходуемой ртути не возвращается в производство. Это означает, что она попадает в природные воды и оказывается в окружающей среде (рис. 4.10).
На рис. 4.11 показаны оценки потоков ртути в сравнении с ее потоками в доиндустриальный период. Запасы ртути указаны в прямоугольниках в сотнях тонн, а потоки (стрелки) - в сотнях тонн в год. Цифры в скобках показывают потоки до появления человека. Штрихами обозначены два новых потока, порожденных деятельностью человека.
В результате разработки отложений и увеличения выбросов ртути возрастает ее количество в почвах, воде, живых организмах. При этом микроорганизмы, участвующие в круговороте, превращают ее нерастворимые формы в растворимую, очень подвижную и очень ядовитую - метилртуть. Рыбы и моллюски накапливают метилртуть до концентраций, опасных для человека, использующего их в пищу.
Глава 4. Круговорот веществ
Глава 4. Круговорот веществ
Ртуть - один из наиболее опасных загрязнителей, который не только нарушает природное равновесие, но и угрожает здоровью человека. Впечатляющим примером служит г. Минамата - маленький прибрежный городок Японии, основное предприятие которого в течение многих лет сбрасывало в воды залива жидкие отходы, содержащие ртуть. Жители окрестностей, употребляющие в пищу рыбу, выловленную в заливе, становились глухими, немыми, слепыми, парализованными. В результате болезни, которая получила название «болезни Минамата», умерло девяносто девять человек, семьдесят прикованы к постели, около трех тысяч человек имеют ее симптомы. Долгое время, после того как сбросы сточных вод, содержащих ртуть, были прекращены, в г. Минамата рождались дети с различными аномалиями и уродствами.
Трансформация веществ в окружающей среде и накопление их в живых организмах в процессе круговорота должны учитываться при использовании опасных химических элементов.
4.4. Возврат веществРециркуляция веществ в природных эко-
в кругооборотсистемах должна служить моделью для решения одной из главных природоохранных задач - возвращения различных использованных веществ в естественные циклы.
Основные пути возвращения веществ в круговоротследующие (рис. 4.12).
1, Непосредственные выделения животных и человекабез предварительного разложения бактериями.В состав выделений входят С02, растворимые органические и неорганические соединения фосфора и азота, которые могут непосредственно усваиваться растениями. Например, в толще морской воды мелкий фитопланктон активно и быстро поедается животными, особенно микрозоопланктоном. Поэтому азот и с фосфор в этих условиях регенерируются в основном из экскрементов животных. Зоопланктон (дафнии, коловратки и др.) выделяет в воду в несколько раз больше минеральных элементов, чем их освобождается после микробного разложения отмерших растительных организмов.
15 9
Глава 4. Круговорот веществ
\
Рис. 4.12. Пять основных путей возврата веществ в круговорот
2, Микробноеразложение органических остатков ре
дуцентами.Бактерии и грибы - основные агенты регенерации
элементов этим путем, который преобладает в наземных экосис
темах. Гетеротрофный процесс разложения, происходящий в
несколько стадий (2а, 26) благодаря жизнедеятельности микро
организмов, приводит не только к освобождению потенциальной
энергии органических веществ, но и к регенерации химических
элементов, вступающих в новый цикл обращения.
3. Возвращение веществ в круговорот благодаря жизнедея
тельности организмов, живущих в симбиозе с растениями.Это
могут быть бактерии, микроскопические грибы, водоросли, лишайники, другие растения. Они передают элементы питания непос-
Глава 4. Круговорот веществ
редственно растениям, как, например, клубеньковые бактерии. Этот путь особенно важен в экосистемах с низким содержанием питательных веществ.
4. Поступление в круговорот элементов и веществ в результате физических процессов, движимых солнечной энергией, т. е. в результате выветривания, эрозии, с потоками воды и т. д. Вода также возвращается в круговорот благодаря энергии Солнца. Таким путем элементы из осадочных пород выносятся из абиотического резервуара и попадают в биотические циклы.
5. Поступление элементов в биогеохимические циклы,
связанные с деятельностью человека и затратами энергии иско-
паемого топлива. Таким путем возвращаются в круговорот опресненная морская вода, биогенные элементы в виде удобрений, металлы, другие ценные вещества, извлекаемые из отходов, и т. д.
Иногда элементы питания могут высвобождаться из остатков и выделений организмов и без участия микроорганизмов. Этот процесс называется автолизом (саморастворением). Автолиз имеет большое значение тогда, когда степень дисперсности отмерших частичек велика (размеры очень малы), т. е. они имеют большую (относительно объема) поверхность соприкосновения с водой. В водных системах еще до бактериального разложения детрита может освобождаться от 25 до 75 % биогенных элементов. При проектировании систем очистки сточных вод часто выгодно затратить механическую энергию на распыление органического вещества, чтобы ускорить его разложение. Такую же работу выполняют и животные организмы, измельчая и перерабатывая органические остатки (например, дождевые или водные черви). Так, водные черви олигохеты из семейства трубчатых пропускают за сутки через кишечник количество ила, во много раз превосходящее массу их тела. Грубый ил и детрит в кишечнике перетираются и выбрасываются на поверхность отложений уже сильно измененными по механическому и химическому составу, а увеличение степени дисперсности и минерализация переработанных частиц в 3 - 4 раза ускоряют освобождение питательных веществ (Л. И. Цветкова, 1968).
На возврат веществ в круговорот всегда затрачивается энергия. Для первых трех путей энергия поступает из органических веществ, для четвертого - от Солнца, для пятого - от топлива. В четырех случаях из пяти людям не приходится затрачивать дорогостоящее топливо. Если не нарушать природные механизмы рециркуляции, то они способны возвращать в круговорот и воду, и питательные вещества. Повторное же использование промышленных материалов, например металлов, требует затрат топлива и денежных средств.
Глава 4. Круговорот веществ
Рециркуляцию веществ в антропогенной системе промышленного города удобно рассмотреть на примере повторного использования бумаги (рис. 4.13).
Рис. 4.13. Схема движения использованной бумаги в городской системе: А - достаточные запасы сырья (деревья в лесу) и достаточные площади для свалок; Б - ресурсы сырья иссякают, площади для свалок уменьшаются, отходы повторно используются
Ее движение напоминает циркуляцию важных элементов в естественных экосистемах. Пока имеются большие запасы деревьев в лесу, бумажные фабрики и свободные участки земли для свалки ненужной бумаги, нет стимулов тратить средства и энергию на ее повторное использование. Но по мере того как растет плотность населения в пригородах, дорожает земля, становится все труднее находить места для свалок - отходы на выходе накапливаются. Запасы пригодной древесины могут постепенно иссякать
Глава 4. Круговорот веществ
и существующие фабрики перестанут обеспечивать спрос на бумагу. Во всех этих случаях следует подумать о повторном использовании бумаги. Для этого должен быть рынок сбыта старой бумаги, т. е. фабрика по переработке макулатуры. Такая фабрика реализует механизмы экономии энергии путем рециркуляции и соответствует диссипативной структуре в природной системе.
Вторичное использование бумаги выгодно всему населению. Это уменьшает темпы уничтожения лесов и вред, наносимый окружающей среде, а также расходы, идущие на очистку города. Для вторичного использования бумаги необходимы: участие горожан; система сбора и склады для хранения; заводы по переработке макулатуры; транспорт; рынок для использованной бумаги (перерабатывающая фабрика); экономически эффективная технология переработки. К сожалению, из-за инерции и административного разделения города и области часто слишком поздно начинают утилизировать использованные материалы, что ведет к моральным и материальным убыткам.
■ Оценка степени рециркуляции веществвнутри экосистемы осуществляется с помощью коэффициента рециркуляции:
Крец = ПВр / ПВ,
где К - коэффициент рециркуляции; ПВ - рециркулируемая доля потока веществ, проходящего через систему (возврат); ПВ - общий поток вещества через систему.
На рис. 4.14 приведена схема, поясняющая возврат веществ в круговорот.
Для экспериментального водосборного бассейна был рассчитан коэффициент рециркуляции кальция. Он оказался равным
0,76 - 0,80. Это означает, что около 80 % общего потока кальция, проходящего через систему, используется в ней многократно. Для калия, натрия и азота коэффициенты рециркуляции оказались выше. В этом водосборном бассейне циркулирующие эле-
Рис. 4.14.Схема возврата веществ в круговорот (по Ю. Одуму, 1986)
163
Глава 4. Круговорот веществ
менты по значению К рец располагались от большего к меньшему следующим образом:
K>Na>N>Ca>P>Mg>S
Значение коэффициента рециркуляции для каждого элемента зависит от его поступления извне, подвижности и потребности в нем организмов. Коэффициент рециркуляции в природных экосистемах возрастает в трех случаях: 1) при увеличении разнообразия и усложнении биотических компонентов, 2) при обеднении питательных ресурсов среды на входе, 3) при накоплении отходов на выходе. Как правило, К ниже для второстепенных элементов или для важных, но потребность в которых невелика (например, для меди). Элементы, которые человек считает ценными (платина, золото, серебро), он использует повторно на 90 % и более. Коэффициент рециркуляции не характеризует скорость движения веществ по кругу, которая в значительной степени определяется температурными и климатическими особенностями экосистем. Коэффициент рециркуляции энергии равен нулю, поскольку энергия вторично не используется.
Усилия по охране природных ресурсов, в конечном счете, должны быть направлены на превращение ациклических процессов в циклические. Основной целью должно стать возвращение веществ в круговорот.
Начинать следует с воды, так как, если удастся восстановить и поддерживать круговорот воды, станет возможным взять под контроль и элементы питания, которые движутся вместе с ней.
Контрольные вопросы
1. Чем различаются большой и малый круговороты веществ?
2. Какие процессы лежат в основе большого круговорота веществ?
3. Какова основная особенность круговорота воды?
4. Как влияет человек на круговорот воды?
Глава 4. Круговорот веществ
5. Какие процессы лежат в основе малого круговорота веществ?
6. В чем различие газообразных и осадочных биогеохимических циклов?
7. Как влияет человек на круговорот углерода и содержание С02 в атмосфере?
8. Какие ядовитые соединения углерода могут накапливаться в воздухе, как они влияют на человека?
9. Какие процессы лежат в основе круговорота азота?
10. Какой процесс называется аммонификацией?
1 1. Какой процесс называется нитрификацией?
12. Какой процесс называется денитрификацией?
13. Какие организмы могут усваивать газообразный азот из атмосферы?
14. Почему азотные удобрения дороже других видов удобрений?
15. Как влияет человек на круговорот азота?
16. В чем отличие влияния деятельности человека на круговорот углерода и круговорот азота?
17. В чем особенности круговорота фосфора?
18. Как влияет человек на биогеохимический цикл фосфора?
19. К каким последствиям приводит избыточный сток фосфора в реки, озера, моря?
20. Почему поступление в окружающую среду цезия-137 и строн-ция-90 опасно для жизни организмов?
21. Как повлияла деятельность человека на круговорот ртути?
22. Перечислите основные пути возвращения веществ в круговорот.
23. Как оценить степень рециркуляции элементов в экосистемах?
24. Для каких веществ, используемых человеком, коэффициент рециркуляции наибольший?
Глава 4. Круговорот веществ
25. Какие условия приводят к увеличению коэффициента рециркуляции?
26. При каких условиях выгодно повторное использование бумаги или других материалов? Приведите примеры.
ГЛАВА 5
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
167
Глава 5. Экологические факторы
5.1. Среда обитания иСреда обитания живых организмов слагается
условия существования из множества неорганических и органических компонентов, включая привносимые человеком. При этом некоторые из них, такие как питательные вещества и энергия, жизненно необходимы организмам, другие не играют существенной роли в их жизни. Так, например, заяц, волк, лиса и любое другое животное в лесу взаимосвязаны с огромным количеством элементов. Без воздуха, воды, пищи, определенной температуры они обойтись не могут. Валун, ствол упавшего дерева, пень, кочка, канавка - элементы среды, к которым они безразличны. Животные вступают с ними во временные (укрытие, переправа), но не обязательные отношения.
Экологическими факторами называются важные для жизни организма компоненты окружающей среды.
Экологические факторы могут быть необходимы или вредны для живых существ, способствовать или препятствовать выживанию и размножению.
Среда обитания - это все природное окружение живого организма.
Условия существования - это совокупность экологических факторов, обусловливающих рост, развитие, выживание и воспроизводство организмов.
Различные организмы по-разному реагируют на одни и те же экологические факторы. Адаптация (лат. adaptatio - приспособление) к существованию в различных условиях выработалась у организмов исторически. Все многообразие экологических факторов обычно подразделяют на три группы: абиотические, биотические и антропогенные.
□ Абиотические факторы- это совокупность важных для организмов свойств неживой природы. Эти факторы, в свою очередь, можно разделить на химические (состав атмосферы, воды, почвы) и физические (температура, давление, влажность, течения и т. п.). Разнообразие рельефа, геологических и климатических условий порождает и огромное разнообразие абиотических факторов.
Глава 5. Экологические факторы
Первостепенное значение из них имеют климатические- солнечный свет, температура, влажность; географические- продолжительность дня и ночи, рельеф местности; гидрологические
(гр. hydor - вода) - течение, волнение, состав и свойства вод; эдафические(гр. edaphos - почва) - состав, структура и свойства почв и др. Все факторы могут влиять на организмы непосредственно или косвенно. Например, рельеф местности влияет на освещенность, влажность, ветер и микроклимат. Рассмотрим некоторые основные абиотические экологические факторы.
Солнечный светоказывает на организм двоякое действие. С одной стороны, прямое воздействие света на протоплазму смертельно для организма, с другой - солнечный свет - первичный источник энергии, без которого жизнь невозможна. Следовательно, свет - это не только жизненно необходимый, но на некотором минимальном и максимальном уровне смертельно опасный фактор. Видимая, т. е. воспринимаемая человеческим глазом область спектра, лежит в диапазоне от 390 до 760 нм. Животные и растения реагируют на различные длины волн света. Качественные признаки света: длина волны (цвет), интенсивность (полезная энергия) и продолжительность воздействия (длина дня). Цветовое зрение развито у некоторых видов членистоногих, рыб, птиц и др. V млекопитающих оно хорошо развито только у приматов.
Отдельные организмы приспосабливаются к разной интенсивности света, г. е. могут быть адаптированы к тени или к прямому солнечному свету. Например, морской фитопланктон адаптирован к низкой интенсивности, прямой солнечный свет его подавляет. Максимум первичной продукции в океане приходится не на поверхностный слой воды, а на лежащий на глубине 0,5 - 1,0 м. во Вселенной колеблется в пределах тысяч градусов. По сравнению с этим диапазоном колебаний температурные пределы существования жизни очень узки. Отдельные виды бактерий некоторое время в стадии покоя могут существовать и при очень низких температурах: до -250 °С. Другие виды бактерий и водорослей способны жить в горячих источниках - около +90 °С.
Глава 5. Экологические факторы
Изменчивость температур - важный экологический фактор. Температура, которая колеблется от 10 до 20 °С (в среднем 15 °С), воздействует на организмы иначе, чем постоянная температура 15 °С. Жизнедеятельность организмов, которые в природе подвергаются воздействию переменных температур (в умеренном климате), подавляется при воздействии постоянной температуры. Это необходимо учитывать при проведении лабораторных экспериментов, которые ведутся при постоянной температуре.
Влажность- это параметр, характеризующий содержание водяного пара в воздухе. В природе существует суточный режим влажности: она повышается ночью и снижается днем.
Наряду со светом и температурой влажность играет важную роль в жизнедеятельности и распространении организмов. Кроме того, влажность влияет на эффект воздействия температуры. Низкая влажность обусловливает иссушающее действие воздуха, особенно на наземные растения. Животные стараются избегать иссушения: переходят в защищенные места или ведут активный образ жизни в ночное время.
Вода является необходимым экологическим фактором для любой экосистемы. Количество осадков, влажность, иссушающие свойства воздуха и доступные запасы поверхностных вод - основные величины, характеризующие этот экологический фактор. Количество осадков зависит от характера перемещения воздушных масс и рельефа местности. Влажные ветры, дующие с океана, большую часть влаги оставляют на склонах гор, обращенных к океану, и за горами создается «дождевая тень», способствующая образованию пустынь.
Важно распределение осадков по временам года. Если общее годовое количество осадков (около 900 мм) выпадает за один сезон, растениям и животным приходится переносить длительные периоды засухи. Такое неравномерное распределение осадков встречается в тропиках и субтропиках. В тропиках этот сезонный ритм влажности регулирует сезонную активность организмов (размножение и др.) так же, как сезонный ритм температуры регули-
Глава 5. Экологические факторы
рует активность организмов умеренной зоны. Формирование типа экосистем в значительной степени зависит от количества осадков: до 250 мм - пустыни, от 250 до 750 мм - лесостепи, от 750 до 1250 мм - сухие леса, свыше 1250 мм - влажные леса.
Тип экосистем зависит не только от количества осадков, но и от транспирации, т. е. потери воды через испарение ее организмами (в основном, растениями) и, в конечном счете, определяется равновесием этих процессов.
Течения- важный экологический фактор в водных экосистемах. Течения непосредственно влияют на живые организмы: от них зависит концентрация в воде растворенных газов (02, С02) и биогенных элементов (N, Р и др.); течения несут энергетические субсидии и от них зависят структура и продуктивность экосистем. Так, различия в составе биоценоза ручья и небольшого пруда определяются, в основном, различиями в факторе течения. Растения и животные текучих вод морфологически и физиологически приспособлены к сохранению своего положения в потоке. В болотных экосистемах течения играют роль одного из важных источников энергии и в значительной степени определяют их продуктивность. Так, продуктивность заболоченных лесов со стоячей водой около 0,2 кг/м2тод, с медленно текучей водой - около 0,7 кг/м2тод, а с сезонными наводнениями - свыше 1,0 кг/м2-год.
■ Биотические факторы- это совокупность воздействий жизнедеятельности одних организмов на другие. Для каждого организма все остальные - важные факторы среды обитания, они оказывают на него не меньшее действие, чем неживая природа.
Все многообразие взаимоотношений между организмами можно разделить на два основных типа: антагонистические (гр. antagonizsma-борьба) и неантагонистические.
Антагонистические- это такие отношения, при которых организмы двух видов подавляют друг друга (- -) или один из них
подавляет другой без ущерба для себя (+ -). Основные формы этого видабиотических отношений: хищничество, паразитизм и конкуренция. 171
Глава 5. Экологические сракторы
Хищничество - форма взаимоотношений организмов разных трофических уровней, при которой один вид организмов - хищник живет за счет другого - жертвы, поедая его (+ -). Это наиболее распространенная форма взаимоотно шений организмов в пищевых цепях (рис. 5.1). Хищники живут отдельно от жертвы
и могут специализироваться на одном виде (рысь - заяц) или быть многоядными (волк).
Жертвы вырабатывают целый ряд защитных механизмов. Некоторые умеют быстро бегать или летать. Другие обладают панцирем. Третьи имеют защитную окраску или меняют ее, маскируясь под цвет зелени, песка, почвы. Четвертые выделяют химические вещества, пугающие или отравляющие хищника, и т. д. Хищники тоже приспосабливаются к добыванию пищи. Одни очень быстро бегают, как гепард. Другие охотятся стаями: гиены, львы, волки. Третьи отлавливают больных, раненых и прочих неполноценных особей.
В любом биоценозе эволюционно сформировались механизмы, регулирующие численность и хищника, и жертвы.
Неразумное уничтожение хищников часто приводит к снижению жизнеспособности и численности их жертв и наносит ущерб природе и человеку.
Паразитизм (гр. parasites - тунеядец) - межвидовые взаимоотношения, при которых один вид живет за счет другого (+ -), поселяясь внутри или на поверхности тела организма-хозяина(рис. 5.2). Он поедает пита-
Рис. 5.2. Паразитизм
Глава 5. Экологические факторы
тельные вещества хозяина, постепенно ослабляя и убивая его. Паразитизм наиболее широко распространен среди растений и низших животных - вирусов, бактерий, грибов, простейших, червей и др. Паразиты делятся на эктопаразитов, живущих на поверхности тела (клещи, пиявки, блохи), и эндопаразитов, обитающих в теле хозяина (гельминты, бактерии, вирусы, простейшие). Одни могут перемещаться от хозяина к хозяину (блохи), другие всю жизнь паразитируют на одном хозяине, как ленточные черви, живущие в кишечнике человека и животных.
Конкуренция (лат. concurrentia - соперничество) - форма ВЗОИМООТНО-
шений, при которых организмы одного трофического уровня борются за дефицитные ресурсы: пищу, С02, солнечный свет, жизненное пространство, места-укрытия и другие условия существования, подавляя друг друга (- -). Конкуренция наглядно проявляется у растений: деревья в лесу стремятся охватить корнями возможно большее пространство, чтобы получать воду и питательные вещества. Они также тянутся в высоту к свету, стремясь обогнать своих конкурентов. Сорные травы забивают другие растения (рис. 5.3).
Много примеров из жизни животных. Обостренной конкуренцией объясняется, например, несовместимость в одном водоеме широкопалого и узкопалого раков: побеждает обычно более плодовитый узкопалый рак.
Чем больше сходства в требованиях двух видов к условиям жизни, тем сильнее конкуренция, которая может приводить к исчезновению одного из них. при одинаковом доступе к ресурсу один из конкурирующих видов может иметь преимущества перед другим за счет интенсивного размножения, способности потреблять
Рис. 5.3. Конкуренция
Глава 5. Экологические факторы
больше пищи или солнечной энергии, умению защитить себя и большей выносливости к колебаниям температур и вредных воздействий.
Антагонистические отношения проявляютсясильнее на начальных стадиях развития сообщества. В зрелых экосистемах наблюдаетсятенденция к замене отрицательных взаимодействий положительными, повышающими выживание видов.
Тип взаимодействий видов может меняться в зависимости от условий или стадий жизненного цикла.
Неантагонистические взаимоотношения теоретически можно выразить многими комбинациями: нейтральные (0 0), взаимовыгодные (+ +), односторонние (0 +) и др. Основные формы этих взаимодействий следующие: симбиоз, мутуализм и комменсализм.
Симбиоз (гр. symbiosis - сожительство) - этообоюдовыгодные,ноне
обязательные взаимоотношения разных видов организмов (+ +). Пример симбиоза - сожительство рака-отшельника и актинии: актиния передвигается, прикрепляясь к спине рака, а тот получает с помощью актинии более богатую пищу и защиту (рис. 5.4). Сходные взаимоотношения можно наблюдать между деревьями и некоторыми видами грибов, произрастающих на их корнях: грибы получают из корней растворенные питательные вещества и сами помогают дереву извлекать из почвы воду и минеральные элементы. Иногда термин «симбиоз» используют в более широком смысле - «жить вместе».
Мутуализм (лат. mutuus - взаимный) - взаимовыгодные и обязательные для роста и выживания отношения организмов разных видов (+ +). Лишайники -хороший пример положительных
взаимоотношений водорослей
Рис. 5.4. Симбиоз и грибов, которые не могут
Глава 5. Экологические факторы
существовать порознь. При распространении насекомыми пыльцы растений у обоих видов вырабатываются специфические приспособления: цвет и запах - у растений, хоботок -у насекомых и др. Они также не могут существовать один без
ДРУГОГО (рИС.5.5). Рис. 5.5. Мутуализм
Комменсализм (лат. commensalis - сотрапезник) - взаимоотношения,
при которых один из партнеров извлекает выгоду, а другому они безразличны (+ 0). Комменсализм часто наблюдается в море: почти в каждой раковине моллюска, в теле губки есть «незваные гости», использующие их как укрытия. В океане некоторые виды рачков селятся на челюстях китов. Рачки приобретают убежище и стабильный источник пищи. Киту такое соседство не приносит ни пользы, ни вреда. Рыбы-прилипалы, следуя за акулами, подбирают остатки их пищи. Птицы и животные, питающиеся остатками пищи хищников, - примеры комменсалов (рис. 5.6).
Иногда очень трудно провести грань между симбиозом и мутуализмом, комменсализмом и паразитизмом и другими взаимодействиями. Однако четко наблюдается тенденция перехода по ходу эволюции от паразитизма к комменсализму и мутуализму, так как в условиях, когда лимитированы некоторые ресурсы,
кооперация дает преимущества
(рис, 5.7).
Ясно, что люди должны переходить к мутуализму с природой и друг с другом. Если этого не произойдет, то, подобно паразиту, человек погубит своего хозяина - природу, за счет которой он живет,
и тем самым погубит себя .Рис. 5.6. Комменсализм
Глава 5. Экологические факторы
Рис. 5.7. Направление эволюции от паразитизма к мутуализму у лишайников (по Ю. Одуму, 1986): 1 - паразитизм грибов в клетках водорослей; 2 - симбиоз грибов и водорослей; 3 - мутуализм грибов и водорослей
Несмотря на конкуренцию и другие типы антагонистических отношений, в природе многие виды могут спокойно уживаться. В таких случаях говорят, что каждый вид обладает собственной экологической нишей (фр. niche - гнездо). Термин был предложен в 1910 г. Р. Джонсоном (рис. 5.8).
Экологическая нишаподразумевает комплекс всех абиотических и биотических экологических факторов среды, необходимых организмам для жизни, роста и размножения в данной экосистеме.
Некоторые авторы вместо термина «экологическая ниша» используют термин «местообитание». Последний включает лишь пространство обитания, а экологическая ниша, кроме того, определяет функцию, которую выполняет вид. П. Агесс (1982) так определяет экологическую нишу и местообитание: местообитание - адрес, по которому проживает организм, а ниша - это еще и его профессия,
Рис. 5.8. Мирное сосуществование разных род занятий и стиль жизни
организмов (рис.5.9).
Рис. 5 9. Экологические ниши
Глава 5. Экологические факторы
Закон минимума Либиха в общем виде можно сформулировать так: рост и развитие организмов зависят, в первую очередь, от тех факторов природной среды, значение которых приближается к экологическому минимуму.
Глава 5. Экологические факторы
Исследования показали, что закон минимума имеет два ограничения, которые следует учитывать при практическом применении.
Первое ограничение состоит в том, что закон Либиха строго применим лишь в условиях стационарного состояния системы. Например, в некотором водоеме рост водорослей ограничивается в естественных условиях недостатком фосфатов. Соединения азота при этом содержатся в воде в избытке. Если в этот водоем начнут сбрасывать сточные воды с высоким содержанием минерального фосфора, то водоем может «зацвести». Этот процесс будет прогрессировать до тех пор, пока один из элементов не израсходуется до ограничительного минимума. Теперь это может быть азот, если фосфор продолжает поступать. В переходный же момент (когда азота еще достаточно, а фосфора уже достаточно) эффекта минимума не наблюдается, т. е. ни один из этих элементов не влияет на росу водорослей.
Второе ограничение связано с взаимодействием нескольких факторов. Иногда организм способен заменить дефицитный элемент другим, химически близким. Так, в местах, где много стронция, в раковинах моллюсков он может заменять кальций при недостатке последнего. Или, например, потребность в цинке у некоторых растений снижается, если они растут в тени. Следовательно, низкая концентрация цинка меньше будет лимитировать рост растений в тени, чем на ярком свету. В этих случаях лимитирующее действие даже недостаточного количества того или иного элемента может не проявляться.
Закон толерантности (лат. tolerantia - терпение) был открыт
английским биологом В. Шелфордом (1913), который обратил внимание на то, что ограничивать развитие живых организмов могут не только те экологические факторы, значения которых минимальны, но и те, которые характеризуются экологическим максимумом. Избыток тепла, света, воды и даже питательных веществ может оказаться столь же губительным, как и их недостаток. Диапазон экологического фактора между минимумом и максимумом В. Шелфорд назвал пределом толерантности.
Глава 5. Экологические факторы
Предел толерантности описывает амплитуду колебаний факторов, которая обеспечивает наиболее полноценное существование популяции (рис 5.14). Отдельные особи могут иметь несколько иные диапазоны толерантности. Данная конкретная рыба, возможно, выдерживает более высокие или более низкие температуры или количества ядовитых веществ. Рис. 5.14 отражает реакцию всей популяции на изменение температуры.
Рис. 5.14. Предел толерантности популяции (по Миллеру, 1990)
Позднее были установлены пределы толерантности относительно различных экологических факторов для многих растений и животных. Законы Ю. Либиха и В. Шелфорда помогли понять многие явления и распределение организмов в природе. Организмы не могут быть распространены повсюду потому, что популяции имеют определенный предел толерантности по отношению к колебаниям экологических факторов окружающей среды.
Закон толерантности В. Шелфорда формулируетсятак: рости развитие организмов зависят, в первую очередь, оттех факторов среды, значения которых приближаются к экологическому минимуму или экологическому максимуму.
Глава 5. Экологи'вские факторы
Было установлено следующее:
- организмы с широким диапазоном толерантности ко всем факторам широко распространены в природе и место бывают космополитами, например, многие патогенные бактэрии;
- организмы могут иметь широкий диапазон толеэантности в отношении одного фактора и узкий диапазон относительно другого. Например, люди более выносливы к отсутствию пищи, чем к отсутствию воды, т. е. предел толерантности относстельно воды более узкий, чем относительно пищи;
- если условия по одному из экологических факюров становятся неоптимальными, то может измениться и предел толерантности по другим факторам. Например, при недостагке азота в почве злакам требуется гораздо больше воды;
- наблюдаемые в природе реальные пределы толерантности меньше потенциальных возможностей организма адаптироваться к данному фактору. Это объясняется тем, что в природе пределы толерантности по отношению к физическим условиям среды могут сужаться биотическими отношениями: конкуренция, отсутствие опылителей, хищники и др. Любой человек лучше реализует свои потенциальные возможности в благоприятных условиях (сборы спортсменов для специальных тренировок перед ответственными соревнованиями, например). Потенциальная экологическая пластичность организма, определенная в лсбораторных условиях, больше реализованных возможностей в естественных условиях. Соответственно различают потенциальную и реализованную экологические ниши;
- пределы толерантности у размножающихся особей и потомства меньше, чем у взрослых особей, т. е. самки в период размножения и их потомство менее выносливы, чем взрослые организмы. Так, географическое распределение промысловых птиц чаще определяется влиянием климата на яйца и птенцов, а не на взрослых птиц. Забота о потомстве и бережное отношение к материнству продиктованы законами природы. К сожалению, иногда социальные «достижения» противоречат этим законам;
Глава 5. Экологические факторы
- экстремальные (стрессовые) значения одного из факторов ведут к снижению предела толерантности по другим факторам. Если в реку сбрасывается нагретая вода, то рыбы и другие организмы тратят почти всю свою энергию на преодоление стресса. Им не хватает энергии на добывание пищи, защиту от хищников, размножение, что приводит к постепенному вымиранию. Психологический стресс также может вызывать многие соматические (гр. soma - тело) заболевания не только у человека, но и у некоторых животных (например, у собак). При стрессовых значениях фактора адаптация к нему становится все более и более «дорогостоящей».
Многие организмы способны менять толерантность к отдельным факторам, если условия меняются постепенно. Можно, например, привыкнуть к высокой температуре воды в ванне, если залезть в теплую воду, а потом постепенно добавлять горячую. Такая адаптация к медленному изменению фактора - полезное защитное свойство. Но оно может оказаться и опасным. Неожиданное, без предупреждающих сигналов, даже небольшое изменение может оказаться критическим. Наступает пороговый аффект:«последняя капля» может оказаться фатальной. Например, тонкая веточка может привести к перелому уже перегруженной спины верблюда. Если значение хотя бы одного из экологических факторов приближается к минимуму или максимуму, существование и процветание организма, популяции или сообщества становится зависимым именно от этого, лимитирующего жизнедеятельность фактора.
Лимитирующим факторомназывается любой экологический фактор, приближающийся к крайним значениям пределов толерантности или превышающий их. Такие сильно отклоняющиеся от оптимума факторы приобретают первостепенное значение в жизни организмов и биологических систем. Именно они контролируют условия существования.
Таким образом, смысл анализа условий среды не в том, чтобы составить необъятный перечень экологических факторов, а в том, чтобы обнаружить функционально важные, лимитирующие факторы и оценить, в какой степени состав, структура и функции экосистем зависят от взаимодействия этих факторов.
Только в этом случае удается достоверно прогнозировать результаты изменений и нарушений и управлять экосистемами.
5.5. Антропогенные лимитирующие факторы В качестве примеров антропогенных лимитирующих факторов, позволяющих управлять природными и созданными человеком экосистемами, удобно рассмотреть пожары и антропогенный стресс.
Пожарыкак антропогенный фактор чаще оцениваются только негативно. Исследования в последние 50 лет показали, что естественные пожары могут являться как бы частью климата во многих наземных местообитаниях. Они влияют на эволюцию флоры и фауны. Биотические сообщества «научились» компенсировать этот фактор и адаптируются к нему, как к температуре или влажности. Пожар можно рассматривать и изучать как экологический фактор, наряду с температурой, осадками и почвой. При правильном использовании огонь может быть ценным экологическим инструментом. Некоторые племена выжигали леса для своих нужд еще задолго до того, как люди стали планомерно и целенаправленно изменять окружающую среду. Пожар - очень важный фактор в том числе и потому, что человек может его контролировать в большей степени, чем другие лимитирующие факторы. Трудно найти участок земли, особенно в районах с засушливыми периодами, где бы не случился пожар хотя бы раз за 50 лет. Чаще всего причиной пожаров в природе является удар молнии.
Пожары бывают различных типов и приводят к разным последствиям.
Глава 5. Экологические факторы
Верховые, или «дикие» пожары обычно очень интенсивны и не поддаются сдерживанию. Они уничтожают крону деревьев и разрушают всю органику почвы. Пожары такого типа оказывают лимитирующее действие почти на все организмы сообщества. Должно пройти много лет, пока участок вновь восстановится.
Низовые пожары совершенно иные. Они обладают избирательным действием: для одних организмов оказываются более лимитирующими, чем для других. Таким образом, низовые пожары способствуют развитию организмов с высокой толерантностью к их последствиям. Они могут быть естественными или специально организованными человеком. Например, плановое выжигание в лесу предпринимается с целью устранить конкуренцию для ценной породы болотной сосны со стороны лиственных деревьев. Болотная сосна, в отличие от лиственных пород, устойчива к огню, так как верхушечная почка ее сеянцев защищена пучком длинных плохо горящих иголок. При отсутствии пожаров поросль лиственных деревьев заглушает сосну, а также злаки и бобовые. Это приводит к угнетению куропаток и мелких травоядных животных. Поэтому девственные сосновые леса с обильной дичью являются экосистемами «пожарного» типа, т. е. нуждающимися в периодических низовых пожарах. В данном случае пожар не ведет к потере питательных элементов почвой, не вредит муравьям, насекомым и мелким млекопитающим.
Азотфиксирующим бобовым небольшой пожар даже полезен. Выжигание проводится вечером, чтобы ночью пожар был потушен росой, а узкий фронт огня можно было легко перешагнуть. Кроме того, небольшие низовые пожары дополняют действие бактерий по превращению отмерших остатков в минеральные питательного вещества, пригодные для нового поколения растений. С этой же целью весной и осенью часто сжигают опавшую листву. Плановое выжигание - пример управления природной экосистемой с помощью лимитирующего экологического фактора.
Решение вопроса о том, следует ли полностью исключить возможность пожаров или огонь надо использовать как фактор
Глава 5. Экологические факторы
управления, должно целиком зависеть от того, какой тип сообщества желателен на этом участке. Американский эколог Г. Стод-дард (1936) одним из первых выступил «в защиту» контролируемых плановых выжиганий для увеличения продукции ценной древесины и дичи еще в те времена, когда с точки зрения лесоводов любой пожар считался вредным.
Тесная связь выгорания с составом трав играет ключевую роль в поддержании удивительного разнообразия антилоп и поедающих их хищников в восточно-африканских саваннах. Положительно влияют пожары на многие злаковые, так как точки роста их и запасы энергии находятся под землей. После выгорания сухих надземных частей элементы питания быстро возвращаются в почву, и травы пышно вырастают.
Вопрос «жечь или не жечь», конечно, может смущать. По неосторожности человек нередко бывает причиной увеличения частоты губительных «диких» пожаров. Борьба за пожарную безопасность в лесах и зонах отдыха - вторая сторона проблемы.
Частное лицо ни в коем случае не имеет права намеренно или случайно вызывать пожар в природе - это привилегия специально обученных людей, знакомых с правилами землепользования.
Антропогенный стресстакже может рассматриваться как своеобразный лимитирующий фактор. Экосистемы в значительной степени способны компенсировать антропогенный стресс. Возможно, что они от природы адаптированы к острым периодическим стрессам. А многие организмы нуждаются в случайных нарушающих воздействиях, которые способствуют их долговременной устойчивости. Большие водоемы часто обладают хорошей способностью к самоочищению и восстанавливают свои качества после загрязнения, так же как и многие наземные экосистемы. Однако долговременные нарушения могут привести к выраженным и устойчивым негативным последствиям. В таких случаях эволюционная история адаптации не может помочь организмам -компенсационные механизмы не беспредельны.Особенно
Глава 5. Экологические факторы
это касается тех случаев, когда сбрасываются сильнотоксичные отходы, которые постоянно производит индустриализованное общество и которые ранее отсутствовали в окружающей среде. Если мы не сможем изолировать эти ядовитые отходы от глобальных систем жизнеобеспечения, то они будут угрожать непосредственно нашему здоровью и станут для человечества основным лимитирующим фактором.
Антропогенный стресс условно подразделяют на две группы: острый и хронический. Для первого характерны внезапное начало, быстрый подъем интенсивности и небольшая продолжительность. При втором - нарушения невысокой интенсивности продолжаются долго или повторяются. Природные системы часто обладают достаточной способностью справляться с острым стрессом. Например, стратегия покоящихся семян позволяет лесу восстановиться после вырубки. Последствия хронического стресса могут быть более тяжелыми, так как реакции на него не столь очевидны. Могут пройти годы, пока изменения в организмах будут замечены. Так, связь между заболеванием раком и курением была выявлена лишь несколько десятков лет тому назад, хотя существовала давно.
Пороговый эффект частично объясняет, почему некоторые проблемы окружающей среды возникают как бы неожиданно. На самом деле они накапливались долгие годы. Например, в лесах начинается массовая гибель деревьев после длительного воздействия загрязнителей воздуха. Мы же начинаем замечать проблему только после гибели многих лесов в Европе и Америке. К этому времени мы опоздали на 10-20 лет и не смогли предотвратить трагедию.
В период адаптации к хроническим антропогенным воздействиям снижается толерантность организмов и к другим факторам, например к болезням. Хронические стрессы часто связаны с токсичными веществами, которые, хотя и в небольших концентрациях, но постоянно поступают в окружающую среду.
В статье «Отравление Америки» (журнал «Таймс» за 22.09.80) приводятся такие данные: «Из всех вмешательств человека в естест-
Глава 5. Экологические факторы
венный порядок вещей ни одно не нарастает такими тревожными темпами, как создание новых химических соединений. Только в США хитроумные «алхимики» ежегодно создают около 1000 новых препаратов. На рынке имеется около 50000 разных химикатов. Многие из них, бесспорно, приносят человеку большую пользу, но почти 35000 используемых в США соединений определенно или потенциально вредны для здоровья человека».
Опасность, возможно, катастрофическую, представляет загрязнение грунтовых вод и глубоких водоносных горизонтов, составляющих значительную долю водных ресурсов на планете. В отличие от поверхностных, грунтовые воды не подвержены естественным процессам самоочищения ввиду отсутствия солнечного света, быстрого течения и биотических компонентов.
Опасения вызывают не только вредные вещества, попадающие в воду, почву и пищу. Миллионы тонн опасных соединений выносятся в атмосферу. Только над Америкой в конце 70-х годов выбрасывалось: взвешенных частиц - до 25 млн т/год, S02 - до 30 млн т/год, NO - до 23 млн т/год.
Все мы вносим свой вклад в загрязнение воздуха, пользуясь автомашинами, электричеством, промышленными товарами и т. д. Загрязнение воздуха - четкий сигнал отрицательной обратной связи, который может спасти общество от гибели, так как он легко обнаруживается всеми.
Обработка твердых отбросов долгое время считалась второстепенным делом. До 1980 г. были случаи, когда на бывших свалках радиоактивных отходов строили жилые кварталу. Теперь, хотя и с некоторым опозданием, стало ясно: накопление отходов лимитирует развитие промышленности. Без создания технологий и центров по их удалению, обезвреживанию и рециркуляции невозможен дальнейший прогресс индустриального общества. Прежде всего необходимо безопасно изолировать самые ядовитые вещества. Нелегальную практику «ночных сбросов» надо заменить их надежной изоляцией. Нужно искать заменители ядовитых химикатов. При правильном руководстве обезвреживание и утилизация
Глава 5. Экологические факторы
отходов могут стать особой отраслью промышленности, которая даст новые рабочие места и внесет вклад в экономику.
Решение проблемы антропогенного стресса должно основываться на холистической концепции и требует системного подхода. Попытки заниматься каждым загрязняющим веществом как самостоятельной проблемой неэффективны - они лишь переносят проблему из одного места в другое.
Если в ближайшем десятилетии не удастся сдержать процесс
ухудшения качества окружающей среды, то вполне вероятно, что
не дефицит природных ресурсов, а воздействие вредных веществ станет фактором, лимитирующим развитие цивилизации.
Контрольные вопросы
1. Чем отличается среда обитания от условий существования?
2. Приведите примеры важных абиотических, биотических и антропогенных факторов.
3. В чем различие между местообитанием и экологической
нишей?
4. Кто обладает большей экологической пластичностью: уроженец Москвы или Рима, Сибири или Африки?
5. Что называется экологическим оптимумом, минимумом, макси
мумом?
6. Приведите примеры стено- и эврибионтных организмов.
7. Как формулируется закон минимума? Кто его открыл?
8. Какие ограничения имеет закон минимума?
9. Сформулируйте закон толерантности. Кто установил эту
закономерность?
10. Объясните, что такое «пороговый эффект»? 11, Какие экологические факторы называются лимитирующими? В чем их значение?
Глава 5. Экологические факторы
12. Какие факторы следует учитывать в первую очередь при создании проектов управления экосистемами?-
13. Как, воздействуя на лимитирующие факторы, можно управлять агроэкосистемой? Приведите примеры.
14. Как влияет взаимодействие факторов на пределы толерантности?
15. Как живые организмы компенсируют действие экологических факторов?
16. Какова функциональная роль «биологических часов»?
17. Какова экологическая роль пожаров? Какие бывают пожары?
18. Приведите примеры использования пожаров в качестве инструмента управления экосистемами.
ГЛАВА 6
В. И. ВЕРНАДСКИЙ О БИОСФЕРЕ
Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере
6.1. Биосфера - живая оболочка земли. Автором термина «биосфера» является французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк, который использовал его в 1803 г. в труде по гидрогеологии Франции для обозначения совокупности организмов, обитающих на земном шаре. Затем термин был забыт. В 1875 г. его «воскресил» профессор Венского университета геолог Эдуард Зюсс (1831 - 1914) в работе о строении Альп. Он ввел в науку представление о биосфере как особой оболочке земной коры, охваченной жизнью. В таком общем смысле впервые в 1914 г. использовал этот термин и В. И. Вернадский в статье об истории рубидия в земной коре.
Учение В. И. Вернадского о биосферебыло еще впереди. Его книга «Биосфера», переведенная затем на французский и английский языки, вышла в 1926 г. Статьи по этой тематике он публиковал до конца жизни. Изучение геохимической роли живого вещества В. И. Вернадский считал своей основной научной задачей. Главные его мысли о биосфере, глубина и значение его идей только теперь начинают осознаваться обществом. К сожалению, как зарубежные, так и отечественные исследователи раньше мало опирались на труды В. И. Вернадского, часть из которых впервые была опубликована только в конце 70-х гг. Идеям В. И. Вернадского предстоит сыграть ключевую роль в формировании мировоззрения современного человека, в понимании им своего места в природе и ответственности за будущее биосферы, в формировании новой экологической морали и этики.
Естественно, что в своих построениях В. И. Вернадский опирался на эмпирические данные своего времени, которые во многом устарели с позиций современности. Но главные его мысли об уникальной роли «живого вещества», которое неразрывно связано с окружающей неживой материей и космическим пространством, учение о биосфере как развивающейся и самоорганизующейся системе еще долго будут служить науке. Авторы не ставили перед собой задачу ревизии количественных оценок тех или иных явлений и процессов, представленных в работах
Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере
В. И. Вернадского. Они хотели лишь познакомить читателя с основными миропредставлениями ученого в их первозданном виде.
Многие затронутые им проблемы остаются до сих пор нерешенными или спорными: возникновение жизни, ноосфера и др. Их актуальность в наши дни свидетельствует о гениальности теоретических обобщений В. И. Вернадского.
Взглянем на нашу планету глазами В. И. Вернадского. Он подчеркивал, что не строил никаких гипотез, а пытался описать картину планетного процесса на основе эмпирических обобщений. «Основные физические и химические свойства нашей планеты меняются закономерно в зависимости от их удаления от центра. В концентрических отрезках они идентичны, что может быть установлено исследованием» (В. И. Вернадский, 1926). Можно выделить большие концентрические области и дробные внутри них, называемые земными оболочками, или геосферами
(гр. де - земля, sphaira - поверхность шара). Можно предполагать, ЧТО В
глубоких областях Земли имеются достаточно устойчивые равновесные системы: ядро и мантия, а над ними - земная кора.
Вещества ядра, мантии и земной коры, вероятно, отделены друг от друга, и если переходят из одной области в другую, то очень медленно (рис. 6.1).
Ядро земного шараимеет иной химический состав, чем земная кора, в которой находимся мы. Можно лишь предполагать, что вещество ядра находится под давлением в тысячи атмосфер и состоит из тяжелых элементов (возможно, из железа) в вязком и газообразном состоянии при температуре свыше 1000 °С (по современным оценкам, до 5000 °С). Удельный вес ядра, по-видимому, 8 - 10 г/см3, если исходить из того, что удельный вес верхних оболочек около 3 г/см3, а в среднем для планеты - около 6 г/см3 (в настоящее время считают, что плотность ядра свыше 12 г/см3). Предполагаемая глубина до поверхности металлического ядра -около 2900 км, что соответствует скачкообразному изменению скорости распространения сейсмических волн, которые на такой глубине входят в другую область.
Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере
Рис. 6.1. Схема геосфер Земли
Мантия- вторая концентрическая область Земли - была названа Э. Зюссом симой (гр. sym - совместная). Она имеет толщину в сотни или тысячи километров. Важную роль в ней играют пять химических элементов: кремний (Si)/ магний (Мд), кислород (О), железо (Fe) и алюминий (AI). Материя мантии во всех концентрических слоях является гомогенной (гр. homos - одинаковый), что связано с очень большим давлением, при котором перестает существовать различие между твердым, жидким и газообразным состоянием. Такая материя не может иметь кристаллическое строение и, вероятно, напоминает стекловатую структуру или массу металла под большим давлением.
Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере
Энергия этих областей может быть только потенциальной и в течение геологического времени (сотни миллионов лет) не достигала земной поверхности. Нет никаких данных, указывающих на химическую активность и отсутствие равновесия в ядре и мантии. Область мантии отделяет от земной коры изостатическая
поверхность(гр.isos - одинаковый, statos - состояние покоя). Ниже изостотической поверхности должно существовать равновесие вещества и энергии. Эту поверхность удобно принять за нижнюю границу земной коры, которая отделяет глубинную область устойчивых равновесий от верхней области постоянных изменений на планете.
Земная кора- область планеты, лежащая выше изостатической поверхности. Материя земной коры в пределах одного и того же концентрического слоя, на одинаковом расстоянии от центра планеты, в отличие от материи первых двух областей, может быть различной. На это указывает распределение силы тяжести. Участки коры разной плотности (от 1 для воды до 3,3 для основных пород) сосредоточены именно в этой верхней части планеты. Из недр земной коры на поверхность Земли проникает свободная энергия - теплота, связанная с атомной энергией радиоактивных химических элементов, сосредоточенных главным образом в этой области. В земной коре различают несколько концентрических оболочек. Поверхности их разграничения не являются строго шаровыми, и разделение их иногда затруднительно. Каждая такая оболочка характеризуется своим физическим и химическим динамическим равновесием. Ниже поверхности Земли, вероятно, существуют три оболочки. Верхняя из них - гранитная оболочка -состоит из кислых пород и относительно богата радиоактивными элементами (до глубины 9 - 15 км). В более глубоких слоях (до 34 км) происходят изменения кристаллического состояния вещества и залегают основные породы, аналогичные стеклу. Ниже 60 км лежат тяжелые породы с удельным весом 3,4 - 4,4 г/см3.
□ Геосферы- установленные эмпирическим путем земные оболочки - можно классифицировать по разным признакам. В. И. Вернадский выделил 6 термодинамическихоболочек,
Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере
определяемых независимыми переменными - температурой и давлением; 8 фазовыхоболочек, характеризуемых фазовым состоянием веществ, т. е. твердым, жидким, газообразным, стекловатым и др.; 10 химическихоболочек, различающихся химическим составом.
Вне этой схемы остается живаяоболочка - биосфера. В биосфере, кроме температуры и давления, появляются такие независимые переменные, как солнечная энергия и «живое вещество». Живые организмы, привнося в физико-химические процессы лучистую энергию Солнца, резко отличаются от остальных независимых переменных. Они меняют существовавшее на планете физико-химическое равновесие.
Организмы представляют собой особые автономные вторичные системы динамических равновесий в первичном термодинамическом поле Земли.
Так, например, организмы сохраняют свою температуру в среде другой температуры, имеют свое внутреннее давление, отличное от внешнего. С точки зрения химии, их особенность проявляется в том, что некоторые вещества, образующиеся в организмах, не могут получиться из тех же элементов в косной окружающей их среде, а, попадая во внешнюю среду, неизбежно в ней разрушаются. При этом выделяется свободная энергия и нарушается термодинамическое равновесие. В организмах происходят такие реакции, которые невозможны в абиотической среде. Например, восстановление С02 и расщепление Н20 одновременно возможны только в живых организмах: это основа биохимических процессов. Таким образом, все химические равновесия в биосфере изменяются в присутствии живых организмов, не нарушая при этом общие законы равновесий.
Биосфера - это область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космические излучения в земную энергию - тепловую, механическую, химическую, электрическую и др.
В процессе фотосинтеза живые организмы трансформируют солнечный луч в энергию новых химических соединений. «Живое вещество» с непостижимой быстротой покрывает планету мощной толщей молекулярных систем, дающих новые соединения, богатые свободной энергией. Эти неустойчивые соединения постоянно стремятся перейти в термодинамическом поле биосферы в устойчивое равновесие.
Тесная связь газов с жизнью указывает на то, что газовый состав биосферы - чисто земное явление, определяемое фотосинтезом и дыханием организмов в масштабе планеты.
Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере
Количество организмов, появляющихся путем размножения в единицу времени, не может выйти за пределы, нарушающие свойства газов, т. е. число организмов в 1 см3 среды не может превышать числа газовых молекул в нем (около 2,7-1019). В биосфере идет борьба не только за пищу, но и за нужный газ, так как последний контролирует размножение.
В каждый момент живое вещество в биосфере разрушается и вновь создается, главным образом не ростом, а размножением. Поколения создаются в сроки от десятков минут до сотен лет. Ими обновляется биосфера. Главное условие жизни определяется полем существования зеленой растительности, т. е. областью планеты, пронизанной солнечным светом. Здесь же собраны не только автотрофные, но и гетеротрофные организмы, так как в своем существовании они тесно связаны с продуктами жизни зеленых организмов - кислородом и органическими веществами.
На протяжении миллионов лет геологического времени шло и сейчас идет постоянное проникновение живого вещества в обе стороны от зеленого покрова. Мы живем в стадии медленного расширения поля жизни. Может быть, одним из проявлений этого является биохимическое создание новых форм лучистой энергии гетеротрофными организмами. К таковым можно отнести свечение микроскопических организмов в морских глубинах или свечение поверхности моря, которое позволяет фитопланктону синтезировать органические вещества в часы, когда до него не доходит солнечный свет. Глубоководные экспедиции встречали зеленые растения (водоросли Halione/la в Тихом океане) на глубине 2 км, т. е. там, куда не проникают лучи Солнца. Эти факты еще ждут объяснений. Но если бы оказалось, что живое вещество способно трансформировать лучистую энергию не только в химическую, но и во вторичную лучистую, возможно, это расширило бы область жизни. Кроме того, в глубоководных зонах океана могут доминировать хемо-автотрофные организмы.
Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере
Новой в биосфере является и световая энергия, созданная человеком: электричество, например. Но пока в фотосинтезе планеты она практически не играет никакой роли, так как составляет ничтожную долю по сравнению с солнечной энергией, используемой растениями.
6.4. Эволюция биосферы Начало эволюции (лат. evolutio - развитие) биосферы - это начало жизни. В. И. Вернадский считал жизнь явлением вечным, подобно материи или энергии. Хотя в основе его учения о биосфере и лежат представления о глубочайшей взаимосвязи живого и неживого, он полагал, что барьер между косной и живой материей непроходим.
■ Возникновение жизнина Земле - вопрос дискуссионный. По мнению В. И. Вернадского, в обозримой геологической истории образование живого вещества из неживого на Земле произойти не могло. Отправной точкой его воззрений в этой области был принцип, сформулированный флорентийским врачом Франческо Реди в 1668 г.: «Все живое от живого». Доказательство тому он видел в работах Л. Пастера и П. Кюри об особенностях молекулярного строения органического вещества. Живое вещество обладает свойством оптической диссимметрии (гр. dys - нарушение, symmetria - зеркальное расположение), Т. е.является фильтром,способным отделять правовращающие молекулы от левовращающих. Благодаря концентрации молекул одинаковой симметрии живое вещество способно поляризовать световые лучи. В неживом веществе левовращающие и правовращающие молекулы смешаны в произвольных пропорциях. В. И. Вернадский уделял большое внимание этому факту, высказав гипотезу о том, что диссимметричные структуры стабильны в основном в живом веществе.
Отстраняясь от каких-либо экстраполяции и гипотез, основываясь только на эмпирических (гр. етрета - опыт) обобщениях, он говорил, что на Земле нет условий, которые могли бы обеспечить возникновение жизни небиогенным путем из косного веще-
Глава 6. В. И. Вернадскийо биосфере
ства, т.е. нет условий для абиогенеза(гр. abiogenesis - небиологическое
происхождение). Позднее под влиянием успехов в абиогенном синтезе органических веществ он склонялся к признанию абиогенеза, но не одного какого-то вида, а сразу комплекса организмов разных геохимических функций и в условиях, предшествовавших геологическому времени. В 1931 г. он утверждал, что «принцип Реди», безусловно, верен, но справедлив лишь в условиях биосферы, и даже считал возможным абиогенез в нынешних условиях, который, однако, нельзя наблюдать в силу недостаточности уровня знаний. В своей работе «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения», опубликованной впервые в 1965 г., он писал: «Надо искать не следов начала жизни на нашей планете и вообще на планетах, но материально-энергетические условия для проявления планетной жизни». Таким образом, В. И. Вернадский в последних своих работах допускал идею абиогенеза в определенных условиях догеологической истории планеты.
Для В. И. Вернадского было несомненным существование биосферы в течение 2 млрд лет, но была ли она раньше - он сомневался. По последним косвенным данным, возраст биосферы оценивается приблизительно в 4 млрд лет.
За последние полвека накоплено много материалов, расширяющих наши познания о появлении жизни на Земле. Во-первых, можно считать доказанным отсутствие жизни на Марсе и Венере, на которых В. И. Вернадский предполагал возможность существования живого вещества. Теперь изучено достаточно много космической материи, состоящей из различных смесей право-и левовращающих молекул. Результаты доказывают, что земная жизнь не привнесена на Землю с ближайших планет.
Во-вторых, получены и достаточно хорошо изучены природные органические вещества абиогенного происхождения. В книге М. Руттена (1974) описаны опыты по получению аминокислот из водорода, аммиака и метана в бескислородной среде под действием электрических разрядов и ультрафиолетового излучения. В России подобные опыты проводил А. И. Опарин (1936).
Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере
Вскоре такие соединения были обнаружены в грозовых тучах после молний и в стерильно отобранных горячих вулканических пеплах (Е. К. Мархинин, 1980). При этом в одинаковых по химическому составу органических веществах биогенного и абиогенного происхождения наблюдается диссимметрия, т. е. всегда преобладает одна группа молекул, чаще всего левовращающих. Эти факты указывают на стирание граней между живым веществом и его абиогенными аналогами. Поэтому ученые второй половины XX века (А. И. Опарин, Дж. Бернал, М. Руттен, Р. С. Юнг и др.), не допуская занесения жизни на Землю с других планет, признавали абиогенез на Земле.
По-видимому, абиогенез мог происходить в условиях, отличных от ныне существующих, при первичной бескислородной атмосфере. В настоящее время проблема сводится к выяснению времени превращения абиогенных органических соединений в биогенные и причин появления резко диссимметричной структуры ДНК в живом веществе. Вероятно, что нарушение зеркальной симметрии - необходимый этап эволюции. Физик В. И. Гольданский (1986) считает, что появление диссимметрии в органическом веществе уже обеспечивает возможность начальных форм размножения. В последние годы, однако, получают подтверждение идеи В. И. Вернадского о возможном космическом происхождении живого вещества. Исследованиями в Антарктиде обнаружено большое количество метеоритов на поверхности льда. В них были найдены различные аминокислоты, нуклеотиды, которые не могли образоваться во льдах Антарктиды. Можно предполагать, что абиогенные органические вещества существуют и в далеких космических просторах. Таким образом, если не живое вещество, то его «матрица» в виде абиогенного органического вещества существует в космосе и может переноситься на звездные расстояния. Поэтому идею В. И. Вернадского о «вечности» жизни в современном представлении можно сформулировать так: жизнь - это этап эволюции материи, возможность, присущая всем пространствам и временам.
Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере
Академик Н. Н. Моисеев (1994) высказывал такую точку зрения: картину мира можно представить как эволюцию единой системы - Вселенной - от начального взрыва до появления живого вещества и разума, а в конце концов и общества. Развитие этой системы происходит за счет внутренних взаимодействий, присущих самой системе. Имеет место грандиозный процесс самоорганизации, в котором появление живого вещества является одним из важнейших этапов. В пользу этого говорят последние исследования в физике. Обнаружено, что мировые константы (скорость света, гравитационная постоянная и др.) обладают удивительным свойством. Их изменение даже на малые доли процента привело бы к изменению мирового процесса самоорганизации, исключающему появление структур, дающих возможность возникновения живого вещества (как Солнечная система, например). Иными словами, живое вещество определяет величины мировых констант, а мировые константы дают возможность возникновения живого вещества. Этот парадокс заставляет трактовать роль живого вещества в мироздании по-иному: мир таков потому, что мы есть. Следовательно: «Вселенная, может быть, является не самостоятельной системой, а лишь составляющей некой суперсистемы, в которой одним из принципов отбора является возможность появления живого вещества» (Н. Н. Моисеев, 1994).
В допущениях абиогенеза* на нашей планете на уровне предположений остается этап перехода от косного к живому веществу, который знаменуется появлением метаболизма (гр. metabole -перемена) и размножения. С этого момента возникает процесс переноса энергии и информации из поколения в поколение.
Эволюция живого веществашла по пути усложнения структуры организмов и биологических сообществ, увеличения числа видов и совершенствования их приспособленности.
Усложнение живого вещества связано с развитием многоклеточных организмов. Согласно наиболее признанной колониальной гипотезе, образовавшиеся в результате деления клетки не разошлись в пространстве, а образовали колонии. Позже в клетках возникли различия в химическом составе, а затем и в функциональной специализации. Многоклеточные организмы совершенствовались и приобретали разнообразие в течение многих миллионов лет. Совершенствовался круговорот веществ в непрерывном обмене веществом и энергией между организмами и средой, в процессах рождения и смерти. Завладевая все новыми областями земной коры, организмы приспосабливались к новым физико-химическим условиям, что неизбежно приводило к гибели и исчезновению части организмов и дальнейшему естественному отбору. Эволюционный процесс сопровождался повышением эффективности использования энергии и вещества организмами,
Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере
популяциями и сообществами. И в этой эволюции четко прослеживается постепенное развитие и усложнение нервной системы. Достигнутый уровень развития мозга, - писал В. И. Вернадский, - не идет уже вспять - только вперед. Вершиной эволюции живого на Земле явился человек, ознаменовавший своим появлением новый этап развития жизни - антропогенез(гр. antropos -
человек) (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Эволюция биосферы
Появление человекапривело к ускорению процесса эволюции биосферы. В истории антропогенеза неоднократно происходили качественные перестройки. В первой половине каменного века - палеолите (гр. palaios - древний, lithos - камень) у человека сформировались зачатки нравственности. Стадо антропоидов постепенно стало превращаться в человеческое общество. Естествен-
Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере
ный отбор перешел с уровня организма на уровень племен, народов, цивилизаций. Нечто подобное произошло и во второй половине каменного века - неолите (гр. neos - новый): преодолев глобальный экологический кризис, который привел к исчезновению крупных копытных, в том числе мамонтов, люди освоили земледелие и скотоводство, создали новую экологическую нишу.
Выходы из кризисов происходили естественным путем, и на них уходили сотни тысяч лет. Человечество все активнее перестраивало экосистемы, все больше вовлекало в биогеохимические циклы запасы планеты - остатки былых биосфер. В. И. Вернадский воспринимал все это как естественный процесс развития планеты. В 1925 г. он писал: «Измененная культурой поверхность не есть что-то чуждое Природе и в ней наносное, но есть естественное и неизбежное проявление жизни как природного явления». Анализируя возможности все возрастающей мощи цивилизации, он пришел к выводу о том, что человечеству как разумной части живого вещества придется взять на себя ответственность за будущее планеты. Будущее требует активного вмешательства разума в судьбу биосферы. Во взаимодействии природы и общества все должно измениться: и биогеохимические циклы, и способность природы обеспечивать потребности человечества, а может быть, и природа самого человека и общества. Все это должно делаться целенаправленно, с участием разума.»
Новое состояние биосферы ученый назвал ноосферой(гр.noos- разум). Термин был введен Эдуардом Леруа (1927), позднее им широко пользовался Пьер Тейяр де Шарден (1930).
Переход в эпоху ноосферы В. И. Вернадский рассматривал как один из актов «приспособления» человечества. Все живые организмы приспособляются, но человек включает в этот процесс разум.
Учение о ноосфере получило развитие в работах русских ученых М. М. Камшилова (1979), В. П. Казначеева (1985) и др. Современные ученые также рассматривают ноосферу как новую высшую стадию эволюции биосферы, связанную с возник-
Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере
новением и развитием в ней человечества, которое, познавая законы природы и совершенствуя технику, создает техносферу и начинает оказывать определяющее влияние на ход биосферных и космических процессов.
Только недавно на идеи В. И. Вернадского стали опираться и зарубежные исследователи биосферы.
В этой связи интересно отметить уникальный эксперимент, проводимый в США с замкнутой биолого-технической системой «Биосфера-2», задуманной как микромодель «Биосферы-1», т. е. биосферы Земли. Ее разработчики Домон Аллен и Марк Нельсон (1991) во многом использовали концепцию ноосферы В. И. Вернадского, полагая, что с помощью разума возможно управление не только техносферой, но и биосферой. Модель отличалась от предыдущих микрокосмов размерами (площадь 1,3 га, объем более 180 тыс. м3) и разнообразием экосистем. «Биосфера-2» была изолирована от атмосферы и почвы, но энергетически открыта для солнечного излучения, т. е. для фотосинтеза. Она также имела электропитание для термо- и влагорегуляции и была связана с внешним миром информационно через компьютеры, теле- и радиосвязь. В модели имелись антропогенное крыло (сельскохозяйственный и жилой отсеки) и природное крыло (тропический лес, саванна, болото, пустыня, океан). С инженерной точки зрения - это венец применения высоких технологий.
Однако результаты первого научного эксперимента, проведенного 8 испытателями в замкнутой «Биосфере-2» в течение двух лет, оказались не столь блестящи. Здоровью и выживанию экспериментаторов грозило и повышение концентрации С02, и катастрофическое снижение 02, хронический недостаток калорий в пище и т. д. Эксперимент показал, что люди еще плохо знают, как действует наша глобальная система жизнеобеспечения - «Биосфера-1». Путь к ноосфере не так легок, как могло показаться. Пока мы не можем управлять даже маленькой «ноосферой», смоделированной человеком.
В обобщающем труде «Научная мысль как планетное явление», написанном в 1938 г., а опубликованном впервые только в 1977 г., В. И. Вернадский предстает как великий оптимист в отношении будущего человечества. Он пишет, что взрыв научной мысли в XX столетии подготовлен всем прошлым биосферы, развитие не может остановиться или пойти назад.
Оптимизм В. И. Вернадского опирался на представления о том, что «наука - природное явление» и как один из способов приспособления человечества она не может «не сработать». Действительно, расшифровка основных взаимосвязей в природе на количественном уровне, определение управляющих факторов, исследование законов развития, разработка моделей биосистем всех уровней, вплоть до биосферного, создание высоких технологий, оценка устойчивости и экологической емкости эко-
Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере
систем, т. е. решение главных задач экологии - это и есть работа по становлению ноосферного мышления.
В наше время после выхода в космос энергетическая мощь технологических процессов в руках человека действительно сравнялась с масштабом и мощью природных процессов. В болезненной форме человечество начинает испытывать последствия противоречий между техногенной экспансией (лат. expansio - расширение,
захват) и ресурсами биосферы. Поэтому не все в полной мере разделяют оптимизм В. И. Вернадского. Так, академик Н. Н. Моисеев в статье «В. И. Вернадский и современность» (1994) писал, что у В. И. Вернадского и Тейяра де Шардена было больше оснований для оптимизма, чем у людей сегодняшнего дня. Тогда ничего еще не знали об атомном оружии, парниковом эффекте, кислотных дождях, демографическом взрыве и других экологических проблемах. Переход в эпоху ноосферы, вероятно, не будет таким плавным и безболезненным, как они предполагали. Мировое сообщество очень медленно приходит к осознанию того, что общая судьба человечества зависит не от политических, государственных и национальных амбиций, а от угрозы самоуничтожения в планетарной экологической катастрофе. Рано или поздно человечеству придется согласовать свои потребности с возможностями биосферы. По существу, придется обратиться к новой нравственности в своей жизни, так как духовный мир должен превратиться в фактор, определяющий развитие и выживание человечества. Это будет новый этап эволюции Homo Sapiens.
Выбор стратегии взаимодействия человека с биосферой, формирующейся как «модель устойчивого развития» - это и есть ноосфера В. И. Вернадского. Но при наличии современного ядерного оружия движение к ноосфере не может занимать тысячи и даже сотни лет. Для такого перехода остаются десятилетия. Несомненно, эволюционный процесс идет, «природные явления действуют». Признаки этого движения видны: это ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии; перестройка экономики; стремительное развитие коллективного интеллекта,
Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере
основанного на новых средствах коммуникаций и возможностях компьютеризации; постепенный поворот в сознании ученых, политиков и простых людей в сторону экологического мировоззрения, перевод экологических ценностей в экономические категории и многое другое. Но хватит ли у людей времени? Не разразится ли катастрофа раньше?
Контрольные вопросы
1. Кто ввел в науку термин «биосфера»? Когда впервые использовал его В. И. Вернадский?
2. Назовите основные оболочки Земли.
3. Чем отличается земная кора от мантии и ядра?
4. В пределах каких земных оболочек расположена биосфера?
5. Чем отличается биосфера от других геосфер?
6. Дайте определения атмосферы, гидросферы, литосферы.
7. Какие космические лучи губительны для живых организмов?
8. Как образовался озоновый экран, какова его роль?
9. Какие космические излучения являются источником жизни на планете?
10. Какие живые организмы могут непосредственно использовать солнечную энергию?
11. В чем основное отличие «живого вещества» от «косного»?
12. Какие ограничения имеет распространение жизни на Земле?
13. Каковы были взгляды В. И. Вернадского на возникновение жизни на планете?
14. Возможен ли абиогенез на Земле с позиций современной науки?
15. Каковы основные этапы эволюции «живого вещества»?
16. Были ли экологические кризисы в доисторические времена?
17. Кто ввел в науку термин «ноосфера»?
Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере
18. В чем основной смысл учения В. И. Вернадского о ноосфере?
19. Каковы современные представления о ноосфере?
ГЛАВА 7
МЕТОДЫ
ИЗУЧЕНИЯ
ЭКОСИСТЕМ
Глава 7. Методы изучения экосистем
7.1. Натурные наблюдения и эксперименты
Признание экосистем предметом экологии и принцип эмерджентности неизбежно приводят к необходимости использовать в качестве методологической основы науки экологии системный анализ и междисциплинарный синтез явлений.
При любом моделировании предварительно следует проводить статистическую обработку исходных натурных или экспериментальных данных с целью преобразования их в немногие параметры, которые в компактной форме достаточно полно характеризуют свойства экосистемы.
Другая задача математической статистики в экологии связана с тем, что исследователь почти никогда не имеет возможности изучить все компоненты экосистемы. Обычно изучается лишь некая выборка. В связи с этим возникает проблема оценки степени соответствия свойств выборки свойствам всей совокупности. Ответы на эти вопросы также дает математическая статистика. Наибо-
Глава 7. Методы изучения экосистем
лее важным является использование статистики для изучения характера связей между отдельными функциями живого организма, между разными организмами, между организмами и факторами неживой среды.
Разумеется, область применения статистических методов значительно шире, а разнообразие методов очень велико. Экологам необходимо помнить, что пренебрежение статистической обработкой исходной информации при построении математических моделей может приводить к дискредитации самой модели.
Наряду со статистическим анализом для уплотнения информации, ведутся усиленные поиски репрезентативных интегральных критериевдля оценки эмерджентных свойствэкосистем. Это может стать началом нового этапа системных наблюдений природных явлений.
7.3. Схема системного исследования. Общая схема системного исследования предложена В. Д. Федоровым и Т. Г. Гильмановым (1980). Все рассмотренные выше методы (наблюдение, эксперимент, моделирование) объединяются в единый процесс экологического исследования, который должен осуществляться в рамках междисциплинарного исследовательского проекта.
Процесс системного исследования целесообразно разделить на ряд этапов, выполняемых последовательно или параллельно (рис. 7.6).
Постановка задачи и концептуализация.При решении той или иной экологической проблемы (охрана природы, рациональное использование ресурсов, управление, прогноз экологического состояния и др.) можно выделить ограниченное и достаточное число наиболее существенных факторов, свойств или процессов. Назначение первого этапа состоит в выборе наиболее важных приоритетных задач, определяющих направление дальнейших исследований.
Глава 7. Методы изучения экосистем
Рис. 7.6. Общая схема системного изучения экосистемы (по В. Д. Федорову, Т. Г. Гильманову, 1980)
Задача концептуализации состоит в том, чтобы суммировать известную информацию об изучаемой экосистеме в виде логически непротиворечивой концептуальной модели. Модель концентрирует данные, необходимые для решения рассматриваемой проблемы. Определяется место изучаемой экосистемы в ландшафте, устанавливаются ее «входы» и «выходы», т. е. связи с соседними экосистемами, атмосферой, гидросферой, твердой средой, деятельностью человека и т. п. (рис. 7.7]. Далее в модели характеризуются состав, структура и главные особенности функционирования экосистемы, т. е. определяются число компонентов и совокупность связей.
Глава 7. Методы изучения экосистем
Рис. 77. Концептуальная модель внешних связей экосистемы (по В. Д. Федорову, Т. Г. Гильманову, 1980)
Спецификация и наблюдения.Назначение этапа спецификации состоит в том, чтобы определить состав входных переменных, переменных состояния экосистемы и, по возможности, строго задать отображение оригинала на модель. При спецификации указывается, с какими измеряемыми характеристиками экосистемы и внешней среды сопоставляются переменные ее состояния, какие методы и единицы измерения используются. При этом целесообразно создавать автоматизированные компьютерные банки данных. Принципиальная схема состава и структуры наземной и водной экосистем показана на рис. 7.8.
На основании спецификации и концептуальной модели планируются полевые наблюдения за динамикой изучаемых свойств экосистемы и прежде всего за переменными экологического состояния и входными характеристиками. Результаты наблюдений используются на последующих этапах работы (идентификация, проверка и исследование модели). Кроме того, они могут служить основой для пересмотра в случае необходимости концептуальной модели, что показано на рис. 7.6 линией от блока 4 к блоку 2.
Идентификация и эксперименты.Задача идентификации заключается в математическом описании соотношений между переменными, образующими структуру модели. В частности, основу структуры динамических моделей с п переменными состояния составляют чаще всего п дифференциальных уравнений, выражающих закономерности изменения каждой из переменных во времени.
Глава 7. Методы изучения экосистем
Рис. 7.8. Схема состава и структуры наземной и водной экосистем
При идентификации, как правило, возникает потребность в проведении полевых или лабораторных экспериментов с целью проверки различных гипотез о характере взаимосвязей между компонентами экосистемы или для оценок параметров известных зависимостей. Экспериментальные работы проводятся параллельно с другими стадиями исследования, вследствие чего возможно возвращение к предыдущим этапам и их повторение в новом цикле исследований с учетом дополнительной информации, полученной в результате эксперимента.
Реализация и верификация модели.После идентификации модели встает проблема ее реализации, т. е. нахождения оператора, который позволит рассчитывать динамику состояния экосистемы во времени в соответствии с входными данными и начальным состоянием. Обычно реализация осуществляет-
Глава 7. Методы изучения экосистем
ся в виде программы расчета на ЭВМ. На этом этапе очень плодотворно сотрудничество экологов, владеющих основами программирования, с математиками, достаточно глубоко изучившими основы экологии.
Верификация МОДеЛИ (лат. verificatio - проверка подлинности) имеет Целью проверить, в какой степени модель соответствует оригиналу. Оценка пригодности модели может быть дана на основе сравнения с данными наблюдений и, главное, на основе опыта практического использования модели как инструмента прогнозирования, оптимизации и управления моделируемой системой. Однако предварительные сведения об адекватности модели необходимы в течение процесса ее построения.
Существует много способов оценки адекватности моделей. Р. Сай-ерт (1966) предложил, например, проверять способность модели воспроизводить такие характеристики эмпирических кривых, как число и распределение экстремальных точек во времени, амплитуда возмущений, средние значения переменных и др. Т. Г. Нейлор и Д. Фигнер (1975) предлагают производить сравнение статистических критериев модели и наблюдений: математического ожидания, дисперсий, асимметрий, эксцессов и др. Однако наиболее наглядным способом проверки модели является сравнение расчетных кривых ее состояния в рассматриваемом интервале времени с данными наблюдений за системой за тот же промежуток времени. Кривые могут быть построены по непрерывным или дискретным наблюдениям. Для оценки степени совпадения могут быть использованы как численные значения характеристик, так и статистические показатели. При хорошем совпадении расчетных и эмпирических данных модель можно считать адекватной оригиналу и приступать к проверке других аспектов ее работы. Однако часто обнаруживается, что нет удовлетворительного совпадения результатов моделирования с эмпирическими данными. В поисках причин приходится возвращаться к предшествующим этапам (чаще всего к этапу идентификации). После этого последовательность этапов повторяется до тех пор, пока не будет достигнуто требуемое согласие. Эффектив-
Глава 7. Методы изучения экосистем
ным способом проверки модели являются также имитация на ней разнообразных экспериментальных воздействий (орошения, удобрения, изменения температуры, течений и т. п.) и сравнение полученных результатов с данными реальных экспериментов.
Неспособность модели правильно предсказать последствия тех или иных воздействий является основанием для ее пересмотра. Но абсолютно точного воссоздания оригинала требовать от модели нереалистично. Поэтому при достаточно надежной концептуальной модели и хороших критериях адекватности после нескольких проверок и исправлений обычно удается построить приемлемую модель и приступить к дальнейшему исследованию.
Заключительный этапосновывается на исследовании модели и оптимизации решений. Процесс исследования включает описание общих черт изменения состояний и поведения модели в зависимости от изменения входных данных. Один из основных разделов исследования - анализ «чувствительности» модели. Результаты этой операции показывают, какие начальные условия, взаимосвязи между переменными, внешние факторы или другие параметры оказывают наиболее сильное (или, наоборот, незначительное) влияние на поведение модели. После получения ответов можно решить, какие параметры должны определяться с высокой точностью, а какие могут задаваться приближенно при наблюдениях, экспериментах и идентификации. Данные теоретических исследований модели и результаты имитационных расчетов дают дополнительную информацию для оценки адекватности модели и необходимости ее дальнейшего усовершенствования.
В практической работе по охране или рациональному использованию природных экосистем человек может задавать и регулировать те или иные воздействия с целью оптимизации их состояния в нужном направлении. Например, при управлении заповедником стремятся к сохранению редких видов организмов, в агро-экосистемах - к получению высокого урожая. При управлении водоемом можно использовать принудительную аэрацию для оптимизации его экологического состояния и т. п.
Глава 7. Методы изучения экосистем
При многоцелевом использовании природных ресурсов приходится сталкиваться с противоречиями. Например, трудно совместить забор питьевой воды с пляжем или сбросом в водоем сточных вод. Поэтому часто решение оптимизационных задач носит компромиссный характер, обусловленный многофакторностью и множеством критериев качества. Методической основой решения таких задач являются теория оптимального управления и оптимизационные модели.
Заключение в системном анализе должно быть научной основой реализации природоохранных проектов и указывать инструменты оптимизации состояний экосистем.
Изучение любой экосистемы может продолжаться бесконечно долго. Однако каждый исследовательский проект должен иметь конечную цель и рано или поздно завершаться. В итоге должны намечаться перспективы будущих исследований.
Приведенная схема системного подхода к изучению экосистем, разумеется, не является универсальной и может быть модифицирована в зависимости от целей и задач проекта, а также объема информационного обеспечения.
Контрольные вопросы
1. Какой методологический подход является основным в экологии?
2. Какие группы методов используются в системном анализе в экологии?
3. В чем значение полевых и экспериментальных исследований в экологии?
4. Почему результаты лабораторных опытов не всегда можно экстраполировать на природные экосистемы?
5. В чем достоинства и недостатки математического моделирования природных систем?
Глава 7. Методы изучения экосистем
6. В чем отличие аэродинамических и гидродинамических моделей от экологических?
7. Какой математический аппарат чаще всего используется при моделировании экосистем?
8. В чем преимущества и недостатки статистических моделей?
9. Можно ли при изучении природных объектов в натуре получать хорошо воспроизводимые численные характеристики?
10. В чем цель и значение статистического анализа эмпирических данных?
11. Какие свойства экосистем характеризуют интегральные критерии их состояния?
12. Каковы основные этапы процесса системного исследования при изучении природных экосистем?
13. Как можно проверить адекватность модели оригиналу?
14. Какие оптимизационные задачи помогают решать модели в экологии?
15. Какова цель заключительного этапа в системном анализе?
часть II ОСНОВЫ
ПРИКЛАДНОЙ ЭКОЛОГИИ
ГЛАВА 8
ГЛОБАЛЬНЫЕI
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕI
ПРОБЛЕМЫ
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
8.1. Демографические проблемы В процессе эволюции общество породило множество социальных, экономических и экологических проблем. Сложилась парадоксальная ситуация: мировая цивилизация достигла поразительных высот и в то же время оказалась на краю пропасти. К общепланетарным проблемам относятся: экспоненциальный рост численности населения; истощение природных ресурсов; загрязнение окружающей среды; обострение энергетического кризиса; нехватка продовольствия и нищета в слаборазвитых странах; угроза ядерной войны; эскалация этнических конфликтов и малые войны; возникновение эпидемий; разгул бандитизма и терроризма; религиозные конфликты; кризис культуры, нравственности, семьи; экологические проблемы глобального и регионального масштабов и т. д.
Рост народонаселения в значительной мере определяет будущее планеты: растут потребности, развиваются технологии, иссякают природные ресурсы, повышается нагрузка на биосферу, разрушается окружающая человека природная среда и т. д. Сегодня эта проблема волнует демографов, социологов, экономистов, экологов и политиков.
В Динамика народонаселенияопределяет демографическую (гр. demos - народ) ситуацию в отдельных странах и в мире. Население увеличивается при превышении темпов рождаемости над темпами смертности. Демографы для оценки этих процессов пользуются не абсолютным числом родившихся и умерших людей, а коэффициентами рождаемости (КР) и коэффициентами смертности (КС):
КР=______ число рожденных детей в год________ *1000
численность населения на середину года
КС= ________ число умерших за год___________ *1000
численность населения на середину года
Коэффициенты отражают число рожденных или умерших на 1000 жителей в год. Ежегодный прирост населения (%) характе-
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
ризуется коэффициентом прироста населения (КП):
КП=(КР - КС)/10
Например, в 1989 г. коэффициент рождаемости в мире был 28 %, а коэффициент смертности - 10 %. Таким образом, прирост населения в среднем составил 1,8 %. В этом же году КП менялся от 4,1 % в Кении, Восточной Африке и Восточной Азии до 0,2 % в Венгрии. При равенстве коэффициентов рождаемости и смертности и отсутствии миграции численность населения в стране остается стабильной. Эта ситуация называется нулевым приростом населения (НПН).
Численность населения в стране зависит также от среднего коэффициента фертильности (СКФ),который представляет собой среднее число живых детей у одной женщины в течение детородного периода (15 - 44 года). На коэффициенты рождаемости (КР) и средние коэффициенты фертильности (СКФ) влияют одни и те же факторы:
- уровень образованности и обеспеченности: КР и СКФ тем ниже, чем выше уровень образования и экономического благосостояния общества;
- использование детского труда: КР и СКФ больше в развивающихся странах и сельских местностях, где детей активно используют в трудовой деятельности;
- урбанизация: у городского населения существует тенденция к снижению обоих коэффициентов по сравнению с сельскими жителями, нуждающимися в детском труде;
- высокая стоимость воспитания и образования снижает КР и СКФ в тех странах, где образование обязательно, а детский труд запрещен;
- коэффициент детской смертности напрямую определяет и коэффициент рождаемости: в странах с высокой смертностью детей родители в качестве гарантий заводят «лишних» детей;
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
- возраст вступления в брак: в странах, где средний возраст вступления в брак у женщин выше 25 лет, естественно, коэффициенты рождаемости и фертильности ниже;
- пенсионное обеспечение: в странах, где существуют надежные и достаточные пенсии, КР и СКФ снижаются, так как обеспечение старости не зависит от количества детей;
- культурные традиции: религиозные убеждения и вековые традиции влияют на количество детей, которое хотят иметь супружеские пары.
Внимательный анализ факторов, влияющих на коэффициенты рождаемости и фертильности, показывает, что низкие значения этих коэффициентов наблюдаются в экономически развитых странах, а высокие - в развивающихся странах.
Динамика роста численности населения на планете в целом описывается J-образной экспоненциальной кривой (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Динамика роста населения за последние 10 000 лет, млрд чел.
В первые миллионы лет истории человечества численность населения росла экспоненциально, но медленно (0,002 % в год). Самый большой прирост населения Земли был в 1970 г. и
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
составил в среднем 2,06 %. В 80-х гг. ежегодный прирост упал до 1,75 % (в абсолютных цифрах он уменьшился на сотни миллионов человек), а в 1989 г. вновь повысился до 1,80 %. Это соответствует теории демографического перехода,разработанной в 1945 г. Ф. Ноутстойном, согласно которой есть три стадии роста населения, определяемые экономическим и социальным развитием.
Для первой стадии характерны невысокая рождаемость и высокая смертность. Эта стадия практически пройдена всем человечеством. Во второй стадии рождаемость повышается, а смертность снижается благодаря развитию экономики и прогрессу здравоохранения. На этой стации численность населения быстро увеличивается - большинство развивающихся стран находятся в этом периоде. На третьей стадии показатели рождаемости снижаются, одновременно снижается детская смертность. Меняются экономические и социальные цели общества. Происходит выравнивание показателей рождаемости и смертности. Следовательно, рост мирового населения обусловлен не только ростом коэффициента рождаемости, но и снижением коэффициента смертности.
Главными факторами снижения смертности в развивающихся странах являются: 1) улучшение условий питания вследствие повышения производства продовольствия, 2) сокращение эпидемий и инфекционных заболеваний в связи с совершенствованием системы здравоохранения и медицинского обслуживания, 3) улучшение общих санитарных условий и водоснабжения.
Эксперты ООН считают, что заметное снижение рождаемости в развивающихся странах произойдет после 2000 г., а к 2100 г. население Земли стабилизируется на уровне примерно 11-13 млрд человек (рис. 8.2).
Согласно модели демографического перехода, по мере индустриализации страны происходит переход от быстрого роста к нулевому приросту, а иногда и к сокращению численности населения. Однако без устойчивого экономического развития многие бедные страны не смогут осуществить демографический переход.
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Рис. 8.2. Изменение коэффициентов рождаемости и смертности в экономически развитых и развивающихся странах (по Т. Миллеру, 1994, с изменениями)
В конце XX в. в богатых странах рост населения замедлился; в бедных странах темп роста населения продолжает увеличиваться. Рекордсменом здесь остается Африка, где ежегодный прирост населения составляет в среднем 2,8 % (в 3 раза выше, чем в США), а в Кении он достигает 4,2 %. В Индостане прирост населения - 2,5 %, на Ближнем Востоке - 2,0 % в год. Наблюдается как бы запаздывание сценария «демографического перехода». Тенденции увеличения населения Земли, очевидно, будут сохраняться в течение десятилетий после того, как коэффициенты
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
рождаемости и фертильности в развивающихся странах снизятся. Это объясняется тем, что возрастная структура населения в развивающихся странах отличается от таковой в развитых странах.
Демографы выделяют три возрастные категории: 0-14 лет, 15-44 года, 45 - 85 лет. В большинстве развивающихся стран молодое население (0-14 лет и 15-44 года) составляет значительно большую долю, чем люди старше 65 лет. Экономически развитые государства, например, Швеция, Германия, Дания, Венгрия, достигшие нулевого прироста населения, имеют почти равное число жителей в каждой возрастной категории.
Любая страна с большим количеством жителей в возрасте до 15 лет обладает мощным импульсом увеличения численности населения, если не происходит рост коэффициента смертности. Это объясняется тем, что женщин, способных иметь детей, становится с каждым годом все больше. Население страны будет увеличиваться в течение 60 - 70 лет, даже если коэффициент фертильности снизится до уровня простого воспроизводства и ниже. Поэтому демографическая проблема сохранит остроту и в XXI веке. К 2025 г. население слаборазвитых стран составит 84 % всех жителей Земли, в то время как сейчас - около 68 % (рис. 8.3).
Рис. 8.3. Изменение структуры населения мира, по данным ООН
Произойдет также «омоложение» мира (уже сейчас в развивающихся странах молодежь составляет почти 60 % населения). Ожидается взлет ислама: с 800 млн мусульман в 1980 г.
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
до 4,4 млрд - в 2100 г., а число христиан увеличится всего с 1,4 до 2,2 млрд человек.
Общество XXI в. будет еще более «городским», а из 5 самых крупных городов мира 3 будут находиться в странах «третьего мира»: Мехико (более 1 8 млн человек), Сан-Паулу и Калькутта. Такой взрыв скорее всего приведет к «трущобной урбанизации». Все это может обострить контрасты в развивающихся странах. Чтобы смягчить демографические проблемы, необходима стабилизация численности населения Земли. И некоторые страны уже проводят более или менее жесткую политику регулирования числа жителей.
Регулирование численности населенияможет повлиять на демографическую ситуацию в мире. Снижение числа жителей в стране происходит при изменении трех главных демографических категорий: рождаемости, смертности и миграции. Многие страны пытаются снижать прирост населения, ограничивая иммиграцию и даже поощряя эмиграцию. Увеличение коэффициента смертности не является приемлемой альтернативой. Поэтому основные усилия сосредоточивают, как правило, на снижении коэффициента рождаемости.
Существуют три основных подхода к решению проблемы снижения рождаемости: 1) экономическое развитие, 2) контроль рождаемости и 3) социально-экономические преобразования.
Экономическое развитиебольшинства развивающихся стран в современных условиях находится в стадии перехода к индустриальному обществу. В этих условиях коэффициент рождаемости несколько снижается, но снижение коэффициента смертности происходит намного быстрее, что обусловливает высокие темпы прироста населения.
Многие демографы опасаются, что темпы экономического развития в этих странах никогда не достигнут темпов прироста населения. Они могут застрять в фазе демографического перехода, так как не имеют достаточного количества квалифицированных специалистов и средств для экономического развития, не производят кон-
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
курентоспособную продукцию, несмотря на многочисленное население. Если темпы роста населения в странах, задержавшихся в переходной фазе, будут опережать темпы экономического развития, может увеличиться коэффициент смертности. Это замедлит прирост численности населения, и страна начнет скатываться в допромышленную фазу демографического развития.
Контроль рождаемостипутем планирования семьи, по мнению современных исследователей, потребует меньше средств, чем одно экономическое развитие. Программы по регулированию народонаселения основаны на просвещении и медицинском обслуживании граждан и варьируют в зависимости от культурных традиций. Большинство из них обеспечивают население информацией о контроле рождаемости, кормлении грудью, дородовом уходе, противозачаточных средствах. В большинстве стран, кроме Китая, эти программы не принуждают граждан иметь меньше детей.
Контроль рождаемости экономит государственные средства, сокращая расходы на социальные нужды. Анализ «затраты -прибыль» показал, что в Таиланде, например, в период с 1972 по 1980 г. правительство получило 7 долларов на каждый доллар, вложенный в программу контроля рождаемости. Кроме того, контроль рождаемости улучшает здоровье женщин в развивающихся странах, где около 1 млн женщин в год умирает от осложнений в период беременности.
Самая жесткая и обширная программа снижения коэффициентов фертильности была принята в Китае, где с 1958 по 1962 г. умерло от голода около 30 млн человек. В основе этой программы лежали следующие мероприятия:
- мощные стимулы, отодвигающие время вступления в брак;
- развитие системы образования;
- создание условий и возможностей семейным парам для стерилизации, абортов и использования противозачаточных средств;
- экономические льготы для семей, подписавших обязательства иметь не более одного ребенка (надбавки к зарплате, пайки, пенсии и т. д.);
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
- принуждение к аборту женщин, беременных третьим ребенком;
- предложения родителям, имеющим двух детей, сделать стерилизацию;
- требования к представителям властей ограничивать количество детей в собственных семьях и другие меры.
Руководство Китая поставило целью добиться нулевого прироста в 2000 г., когда число жителей достигнет 1,2 млрд человек, и затем медленно сократить численность населения до 1 млрд человек в 2100 г. Однако, по прогнозам ООН, с учетом того, что 34 % населения Китая моложе 15 лет, его народонаселение уже в 2020 г. может составить около 1,5 млрд человек.
Большинство стран не могут или не хотят использовать принудительные элементы китайской программы. Однако нельзя ждать, когда общество встанет перед выбором - массовое вымирание или жесткие меры. Следует попытаться заблаговременно мягкими мерами сдержать рост населения.
Экономически развитые страны, в отличие от развивающихся, озабочены замедлением темпов роста населения. В Германии, Венгрии правительства пытаются найти способы поднять рождаемость. Например, если в Германии сохранится коэффициент фертильности 1,4 и не будет разрешена иммиграция, ее население сократится с 62 до 45 млн человек в 2050 г. Это означает, что будет слишком мало рабочих рук, чтобы обеспечить дальнейшее развитие и собирать налоги, необходимые для пенсий. По прогнозам, после 2000 г. будет наблюдаться незначительное снижение численности населения во Франции, Великобритании и США в связи с переходом их в стабильную постиндустриальную фазу развития. Когда общество вступает в постиндустриальную фазу развития, коэффициенты рождаемости и смертности уравниваются и достигается нулевой прирост населения.
К 1989 г. Австрия, Бельгия, Венгрия, Чехия, Дания, Италия, Финляндия, Германия, Греция, Норвегия, Португалия, Испания, Швеция, Швейцария и некоторые другие страны приблизились к
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
нулевому приросту населения. Но в этих странах проживает лишь 6,3 % населения мира.
Социально-экономические преобразованияв стране, по мнению многих экспертов, могут более эффективно регулировать численность населения, чем контроль рождаемости. Экономические рычаги (вознаграждения и штрафы) могут снизить коэффициенты рождаемости. Возможности для женщин получить юридические права, образование и работу помогли бы сократить коэффициенты фертильности. При этом огромное значение имеет изменение роли женщин в обществе и улучшение условий их жизни. Хотя женский труд составляет две трети общей продолжительности труда в мире, они получают всего одну десятую часть мирового дохода. Женщины составляют 60 % взрослых обитателей планеты, не умеющих читать и писать. В то же время образование - сильнейший фактор, заставляющий женщину иметь меньше детей. До тех пор, пока женское образование не получит широкого распространения, не снизится их экономическая зависимость от мужчин и не повысится статус женщины в обществе, высокая фертильность, голод, нищета и деградация окружающей среды будут усиливаться во многих регионах мира.
По данным Международного Банка Реконструкции и Развития (МБРР), решительный поворот к сокращению рождаемости в развивающихся странах могут обеспечить только разумные социальные преобразования: поднятие жизненного уровня, улучшение социального обеспечения, повышение уровня образования и грамотности населения. Так, в одном из штатов Индии, в котором 70 % населения грамотно, прирост населения стал меньше 2 % в год, в то время как в среднем по Индии он превышает 2 %.
Снижение прироста численности населения Земли не решит всех ресурсных, социальных и экологических проблем, однако, позволит снизить их остроту. Эксперты считают оптимальным снижение прироста населения с 1,8 % до 1 % в год. Быстрое сокращение мирового коэффициента рождаемости на 50 % потребует внедрения системы мероприятий: устойчивого экономи- 267
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
ческого развития, контроля рождаемости, системы экономических штрафов и льгот, изменение роли женщины в обществе. Сочетание этих мер должно тщательно планироваться для каждой отдельной страны, в соответствии с ее культурными традициями.
Продовольственные проблемынеизбежно связаны с прогрессирующим ростом населения. Зона, где большинство населения страдает от голода и недоедания, протянулась по обе стороны экватора и включает многие страны Азии, Латинской Америки и особенно Африки. Специалисты ООН считают, что число голодающих около 500 млн человек; эксперты МБРР называют более 1 млрд человек.
За период с 1950 по 1984 г. мировое производство продовольствия на душу населения в среднем увеличилось на 40 %. Если все продовольствие разделить поровну между жителями планеты, его хватит, чтобы прокормить 6 млрд человек. Но если каждый человек будет питаться, как средний житель промышленно развитой страны, то продовольствия хватит только для 2,5 млрд человек, т. е. для половины современного населения мира. Однако равномерное распределение продовольствия ни сейчас, ни в будущем практически невозможно из-за различий в почвенных и климатических условиях и доходах населения в разных регионах Земли. С 1950 по 1988 г. среднедушевое производство продовольствия сократилось в 43 развивающихся странах, из которых 22 - африканские. В этих регионах проживает каждый седьмой житель планеты.
Тревожной тенденцией является постоянное снижение темпов мирового производства продовольствия: с 1950 по 1960 г. рост производства продовольствия составлял 15 %, с 1960 по 1970 -7 %, с 1970 по 1980-4 %, ас 1980 по 1990 - лишь 3 %.
Еще большее число людей получают неполноценное питание, т. е. испытывают недостаток в рационе питания необходимых питательных веществ (белков, жиров, витаминов, микроэлементов, солей). Эксперты Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) полагают, что около 50 % детской смертности (до 5 лет)
в Латинской Америке связано с плохим питанием. Прослеживается четкая связь между смертностью новорожденных и недостатком в рационе питания животных белков. Не лучше продовольственная обстановка и в странах СНГ. Голода пока нет, но дефицит важнейших элементов в питании существует во многих районах бывшего Союза.
Беднейшие слои находятся на грани жизни и смерти (две чашки риса - 150 кал и овощи - 10 кал в день). Люди слабеют, теряют сознание, становятся апатичными. Большинство из них погибают от болезней прежде, чем умирают от голода. Взрослые слишком слабы, чтобы продуктивно работать и ясно мыслить. У детей наблюдаются Задержка роста, Маразм(гр. marasmos - общее истощение) и другие
Рис. 8.4. Замкнутый круг условий жизни беднейшего населения земного шара |
болезни, связанные с недостатком белковой пищи и витаминов. Если эти дети вырастут и станут взрослыми, то большинство из них не смогут вырваться из трагического круга бедности и голода, в который попадает каждое следующее поколение (рис. 8.4).
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
В то время как 15 % населения развивающихся стран страдают от недоедания и неполноценного питания, около 15 % населения промышленно развитых стран страдают от переедания. Пища переедающих людей насыщена жирами, холестерином, солью, сахаром, содержит мало свежих овощей, фруктов, клетчатки, что является причиной ожирения, диабета, гипертонии и других сердечно-сосудистых заболеваний. Таким образом, не недостаток продуктов питания, а бедность является главной причиной голода и преждевременной смерти во всем мире.
В XXI в. число голодающих может увеличиться до 1,5 млрд человек из-за неравномерного распределения продовольствия как между странами, так и внутри стран. Например, треть голодающих проживает в Индии, которая производит достаточно продовольствия для своего населения. Неравномерно пища распределяется и в семьях. У бедняков большая часть еды отдается работающим мужчинам, а недоедают, в основном, дети и женщины. Очаги бедности и голода имеются и в промышленно развитых странах.
Полезна или вредна продовольственная помощь бедным странам как гуманитарная акция? Некоторые аналитики утверждают, что предоставление продовольствия голодающим странам с высокими темпами прироста населения приносит в конечном итоге больше вреда, чем пользы. Поощряя рост населения и не научив людей самостоятельно выращивать урожаи, такая помощь в будущем обрекает на смерть еще большее количество людей. Биолог Г. Хардин (1994) считает, что на шлюпке «Земля» и так собралось слишком много народу. Если не принимать мер по сокращению численности населения, то увеличение пассажиров рано или поздно приведет к тому, что она затонет, а пассажиры погибнут.
Другая проблема заключается в том, что продовольственная помощь не доходит до голодающих, так как транспортная сеть, система хранения не отвечают необходимым требованиям. Часть продовольствия сгнивает, съедается насекомыми. Имеют место воровство и распродажа гуманитарной помощи чиновниками.
Критики продовольственной помощи не отвергают помощь вообще. Они считают, что индустриальные государства в первую очередь должны помочь развивающимся странам контролировать прирост населения, в том числе и путем подъема экономики. Продовольственная же помощь должна предоставляться в виде исключения тогда, когда в регионе в результате природных или социальных катастроф полностью разрушена система снабжения.
Рост численности населения Земли порождает и другие проблемы глобального масштаба: истощение природных ресурсов, загрязнение окружающей среды и деградация природных экосистем. И каждый из нас в большей или меньшей степени способствует этим процессам.
Ресурсы- это нечто, извлекаемое из природной среды для удовлетворения потребностей и желаний человека. Некоторые ресурсы используются непосредственно: чистый воздух, пресная вода, съедобные растения, дикие животные. Но большинство природных материалов (железо, нефть, уголь, культурные растения, домашние животные) становятся ресурсами только после соответствующей переработки в продукты, которые можно приобрести по доступной цене. Нефть была загадочной жидкостью до тех пор, пока люди не изобрели средства для ее поиска, добычи и переработки в бензин, мазут, гудрон и другие продукты.
Ресурсы подразделяются на вечные, невозобновляемые и возобновляемые.
Вечныересурсы, такие как солнечная энергия, действительно, неисчерпаемы с точки зрения истории человечества.
Невозобновляемые,или исчерпаемые ресурсы существуют в ограниченных количествах в земной коре, например, медь, алюминий, железо, нефть, уголь. Они истощаются, так как или не восполняются в результате природных процессов (медь, железо, алюминий), или восполняются значительно медленнее, чем происходит их потребление (нефть, уголь).
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Возобновляемыминазываются ресурсы, запасы которых потенциально могут восстановиться в нормальных условиях после истощения и загрязнения естественным путем. Примерами служат деревья, травы, дикие животные, пресные воды, воздух, почвы.
Степень влияния людей на истощение ресурсов зависит прежде всего: 1) от численности населения, 2) среднедушевого потребления, 3) загрязнения и деградации окружающей среды на 1 единицу природных ресурсов и 4) эффективности использования ресурсов. Наиболее болезненным в современных условиях для человечества является истощение энергетических ресурсов, что К периодически порождает энергетические кризисы.
8.2. ЭнергетическиеТакие, казавшиеся неистощимыми, источ-проблемыники энергии, как нефть, газ, уголь, тают буквально на глазах. Ископаемое топливо(доступные запасы) при современных объемах энергопотребления, по разным оценкам, в среднем иссякнет приблизительно через 200 - 300 лет, в том числе нефть - через 40 - 80, газ - через 50 - 100, уголь - через 300 - 400 лет. Освоение новых месторождений становится все более трудным: за ними приходится идти все дальше на север и восток, устремляться все глубже в недра Земли. Понятно, что стоимость их разработки повышается. Грозит ли людям энергетический голод? Анализ показывает, что катастрофы можно избежать, если повышать эффективность использования энергии и искать альтернативные источники. Однако использование любых источников имеет как свои преимущества, так и недостатки.
Нефтьпока остается основой современной энергетики. В развитых странах ее используют на 60 %, а в развивающихся -на 40 %. В начале 70-х гг. разразился энергетический кризис. Страны Ближнего Востока, владевшие 37 % мировой добычи нефти, резко подняли на нее цены. С 1973 по 1981 г. они подскочили в 5 раз, что вызвало шок на Западе. Но нефтяной кризис заставил сработать обратную связь, что принесло определен-
ную пользу. Были приняты активные меры. В первую очередь это касалось экономии нефти и энергии вообще, даже в бытовых мелочах. Например, в Германии температура в государственных учреждениях устанавливалась не выше 18 °С, на лестницах свет зажигался только на время подъема человека на нужный этаж. В США начали производить стекла с особым покрытием, сокращающим потери тепла. Меньше стало буйство световой рекламы. В промышленности возросла роль отраслей с энергосберегающими технологиями, дешевыми энергоносителями. Разрабатывались экономичные модели автомобилей и т. д. Эти «мелочи» сэкономили миллиарды долларов, марок, франков. К 1990 г. доля нефти в потреблении энергии упала в среднем до 33 %. Кризис дал толчок освоению новых месторождений нефти: Аляска (США), Северное море (Великобритания и Норвегия), Тюмень, Ямал (Россия) и др.
А как поступало в это «золотое» для нефтедобывающих стран время наше государство? Мы наращивали добычу и экспорт нефти, кризиса не испытывали. Скачок мировых цен в период с 1976 по 1984 г. принес стране 176 млрд долларов, при том что нефтяное сырье продавалось в 10 раз дешевле, чем на мировом рынке (70 р. за тонну). По еще более «мягким» ценам советская нефть шла в страны Восточной Европы. Внутри страны экономия энергии никак не стимулировалась. С 1965 по 1986 г. расход энергии на производство 1 т стали поднялся с 689 до 727 кВтч; на 1 т бумаги - с 697 до 867 кВтч, на добычу 1 т угля - с 30 до 34 кВтч; энергоемкость нефтедобычи выросла с 26 до 59 кВтч на 1 т. В 80-х гг. наша страна потребляла нефти на 36 %, угля - на 56 %, газа - на 42 % больше, чем США. В то же время в Западной Европе, США и особенно в Японии, больше других зависящей от импорта топлива, происходили чудеса снижения энергоемкости экономики. Япония на 50 % уменьшила потребление энергии и стала мировым лидером в области энергосберегающих технологий. На топливо стали расходовать только 4 % валовой национальной прибыли (в США - 10 %). В России же лишь в начале 90-х гг. стали задумываться о сбереже-
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
нии энергии: были снижены поставки нефти в страны Восточной Европы и изменены внутренние оптовые цены. Но и в годы перестройки показатели энергосбережения не улучшились, а распад Союза ухудшил всю систему энергоснабжения. Теперь России, при меньших энергоресурсах, неизбежно придется вводить режим жесткой экономии энергии.
Преимущества использования нефти состоят в том, что она, несмотря на колебания цен, остается сравнительно дешевым видом топлива, ее легко транспортировать и она обладает высоким выходом чистой энергии. Нефть является также многофункциональным топливом, которое можно использовать для движения транспорта, получения высокотемпературного тепла в промышленных производствах и выработки электроэнергии.
Недостатки сжигания нефти заключаются в том, что при этом образуется большое количество диоксида углерода окси-
дов серы оксидов азота которые загрязняют атмос-
феру и порождают общепланетарные экологические проблемы. Кроме того, нефтяные пятна и утечки токсичных буровых шламов из скважин загрязняют поверхностные и грунтовые воды. Но самый большой недостаток - то, что ее доступные запасы могут быть исчерпаны уже в этом веке.
Газовое топливо- это природный газ, состоящий из смеси метана (от 50 до 90 %) с небольшим количеством тяжелых углеводородов: пропана, бутана и др. Обычно природный газ залегает над месторождениями сырой нефти. При низкой температуре природный газ превращается в сжиженный природный газ (СПГ). 40 % разведанных мировых запасов природного газа в мире находится на территориях России и стран СНГ. Россия является величайшей страной в мире по добыче газа (Иран - 14 %, США - 6 %).
Преимущества газа состоят в том, что он выделяет при сгорании большое количество тепла и меньше, чем любой другой вид ископаемого топлива, загрязняет воздух. Газ почти не образует диоксида серы выделяет в шесть раз меньше на единицу
энергии диоксидов азота NOx, чем уголь, нефть, бензин, и практически не образует твердых частиц. Природный газ легко транспортировать по трубопроводам, он обладает высоким выходом чистой энергии. Газ полностью и эффективно сгорает в котлах центрального парового отопления, печах, плитах, водяных нагревателях, мусоросжигателях, тепловых насосах, воздушных кондиционерах, рефрижираторах и сушильных установках. Его можно использовать и в дизельных двигателях автобусов, такси, грузовых автомашин. При сжигании газа в модифицированных автомобилях снижается выброс углеводородов и С02 (но может увеличиться выброс NOx). Газ можно использовать и для выработки электроэнергии. До сих пор цены на природный газ были низкими.
Недостатки газа состоят в том, что для транспортировки на танкерах его необходимо переводить в жидкие формы. Транспортировка сжиженного газа в рефрижираторах является дорогим и опасным мероприятием. Вблизи мест погрузки и выгрузки могут возникать мощные взрывы, наносящие большой ущерб и даже приводящие к гибели людей. Кроме того, сжижение газа на четверть снижает выход чистой полезной энергии.
Уголь- наиболее распространенный на планете энергоноситель. Его запасы оцениваются в 7 трлн т. Только разведанных месторождений (300 млрд т) хватит на несколько веков. Прогнозируется, что невыявленных мировых ресурсов угля должно хватить примерно на 900 лет при неизменном уровне его потребления. Может быть, в угле будущее мировой энергетики? Мнения разные. Так, эксперты Института всемирных наблюдений (США) считают, что экологический кризис нарастает такими же темпами, как и использование угля. Лидеры угольной энергетики (Китай, США, СНГ ) являются одновременно и главными загрязнителями атмосферы. На долю США приходится 26 % выброса углерода в атмосферу, а на долю СНГ - 19 % (больше, чем на всю Западную Европу). Теплоэлектростанции (ТЭС), работающие на угле, дают в среднем 10-25 кг вредных выбросов на 1 кВтч.
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Тем не менее в США принята дорогостоящая программа, по которой до 2000 г. предполагается построить ТЭС на угле общей мощностью 150 млн кВт, но с почти тотальной очисткой выбросов. То же придется делать и России, так как пока угольные станции дают более половины всей электроэнергии.
К сожалению, в нашей стране все меньше внимания уделяют развитию угольной промышленности, которая в годы перестройки была отброшена на уровень 1970 г.
Преимущества использования твердого угля обусловлены тем, что это наиболее распространенный вид ископаемого топлива. Уголь обладает высоким выходом чистой энергии при выработке высокотемпературного тепла и производстве электроэнергии. В странах с достаточными запасами угля его сжигание - самый дешевый способ получения электроэнергии. Однако низкая цена на уголь не включает расходы на устройства по контролю за загрязнением воздуха и мероприятия по очистке выбросов и восстановлению территории, на которой добывается уголь.
Недостатки угля обусловлены тем, что это самое загрязненное ископаемое топливо, а его добыча связана с опасностями. При сжигании угля образуется больше SOx, NOx и мельчайших твердых частиц, чем при сжигании других ископаемых видов топлива. Загрязнение воздуха этими веществами порождает экологическую проблему глобального масштаба - выпадение кислотных дождей.
Открытая разработка угля разрушает почвенный покров, губит естественную растительность; шахтеры часто страдают силикозом легких, нередки случаи гибели людей. Кислоты исоединения токсичных металлов, стекающие из заброшенных шахт, загрязняют поверхностные и подземные воды, губят рыбу и других обитателей водоемов. Кроме того, добытый уголь дорого перевозить и нельзя использовать в твердом виде,как топливо в автомобиле.
Сторонники угольной энергетики связывают надежды с переработкой угля в синтетические жидкие игазообразные виды топлива: газ и полукокс. В ЮАР, например, уже налажено производство около 3 млн т в год таких продуктов.
Ядерная энергияпервоначально рассматривалась как источник чистой безопасной и дешевой энергии. Предсказывалось, что к концу века будет построено 1 800 атомных электростанций (АЭС), которые будут давать 21 % мировой промышленной энергии. Сейчас в мире 400 блоков АЭС уже дают 20 % всей энергии (рис. 8.5).
Рис. 8.5. Эволюция мировой энергетики: виды используемой энергии, %
Япония и Франция, имеющие незначительные запасы ископаемого топлива, считают, что использование атомной энергии -лучший способ уменьшить зависимость от импорта нефти. Франция планировала к 1990 г. получать 90 % электроэнергии на АЭС. В настоящее время Франция и Япония производят больше электроэнергии, чем потребляют, а для движения транспорта атомную энергию использовать нельзя.
Практика, однако, показала, что атомная энергия - очень дорогой способ производства электроэнергии. Так, в 1987 г.
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
АЭС в США вырабатывали электроэнергию по цене в среднем 13,5 центов за 1 кВт-час, что эквивалентно покупке нефти по цене 216 долларов за баррель. И эта цена не включает расходы на захоронение радиоактивных отходов и выведение из эксплуатации старых установок. Электроэнергия АЭС во Франции и Японии дешевле, но Франции все же пришлось для финансирования атомной промышленности взять долг в 39 млрд долларов. Стоимость строительства АЭС в три раза больше стоимости строительства эквивалентных по мощности ТЭС, оснащенных новейшим оборудованием по контролю за загрязнением воздуха.
Атомную энергию можно получать с помощью обычной реакции ядерного деления и с помощью реакции ядерного синтеза.
Преимуществами обычной реакции ядерного деления являются следующие: ядерные реакторы не выделяют загрязняющих воздух оксидов - С02, SOx, NOx и твердых частиц; степень загрязнения воды и нарушения почвенного покрова в допустимых пределах, если цикл протекает нормально. Поэтому многие считают, что удовлетворить растущие потребности в энергии может только ядерное топливо. Министерства атомной энергетики во многих экономически развитых странах продолжают упорно выступать в поддержку этого вида энергии.
Некоторые эксперты полагают, что высоко- или низкотемпературная реакция ядерного синтеза может предоставить неисчерпаемый источник энергии. Однако после 50 лет исследований эти реакции еще изучаются в лабораторных условиях. Никому еще не удалось получить таким путем больше энергии, чем было затрачено.
Недостатки ядерной энергии заключаются в следующем: затраты на строительство и эксплуатацию АЭС оказались гораздо больше, чем предполагалось; обычные АЭС могут использоваться только для производства электроэнергии; выход чистой полезной энергии низок; не разработаны методы надежного хранения высокорадиоактивных отходов в течение тысяч лет; получение атомной энергии позволяет использовать научно-техническую информацию и ма-
териалы для изготовления атомного оружия; хотя вероятность крупномасштабных аварий невысока, но они уже происходили: в результате оппозиция к атомной энергетике возросла с 30 % в 1979 г. до 60 % в 1989 г.
Чернобыльская катастрофа расколола мировое общественное мнение. Дания, Норвегия, Австралия, Греция, Люксембург, Нидерланды, Италия, Швейцария приняли решение отказаться от строительства новых атомных электростанций. Швеция предполагала закрыть свои 6 станций в 2000 г., Австрия так и не ввела в строй свою единственную АЭС. Какой же путь выбрать? Россия склонна следовать путем большинства развитых стран: использовать весь арсенал усиления безопасности АЭС. Многие считают, что мы вынуждены будем в ближайшие 30 - 50 лет продолжать использование атомной энергии, чтобы не превратиться в слаборазвитую страну.
Очень важен выбор площадок для строительства АЭС. Так, например, Армянская АЭС, построенная в 25 км от Еревана, в сейсмоопасном районе, конечно, представляет большую угрозу. Страшно подумать, что могло бы произойти, окажись эпицентр армянского землетрясения в 1988 г. на несколько десятков километров ближе к АЭС.
Судьба ядерной энергетики зависит от того, в какой степени удастся обеспечить безопасность и примирить людей с работой атомных электростанций. В Японии, например, уровень техники безопасности столь высок, что крупнейшая в мире АЭС Фукуси-ма построена в сейсмоопасной зоне (до 10 баллов). Япония вообще стала лидером наращивания мощностей АЭС: из 23 строящихся в мире станций в 1991 г. 12 было в Японии. Решительно внедряют ядерное топливо французы. В Германии бунтующее против АЭС население зазывают на станции, чтобы показать надежность систем безопасности. Тем не менее наступление «атомной эры», по крайней мере, откладывается.
Альтернативные источники энергииявляются возобновляемыми: солнечная, ветровая, гидроэнергетика, геотермальная и др. Их использование видится многим единственным выходом из надвигающегося энергетического кризиса. Однако сегодня крупномасштабное энергосбережение на базе альтернативных источ-
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
ников экономически не оправдывается. Энергозатраты на получение такой энергии часто равны или больше получаемой от этих источников энергии. Крупнейший советский физик П. Капица считал, что альтернативные источники не смогут серьезно потеснить традиционные энергоносители. Одновременно многие исследователи полагают, что «в долгосрочной перспективе человечество не имеет иного выбора, кроме возобновляемых источников энергии. Независимо от того, насколько богатыми кажутся сегодня запасы угля и урана, рано или поздно они исчерпаются», -писали Д. Додни и К. Флафин (цит. по Т. Миллеру, 1990).
Солнечная энергияявляется практически вечным источником энергии. Существуют пассивные системы улавливания прямой солнечной энергии для отопления зданий и активные гелиоустановки концентрации солнечного света для производства высокотемпературного тепла и электроэнергии. Кроме того, солнечная энергия преобразуется в электрическую при помощи фотоэлементных ячеек - солнечных батарей.
Пассивные солнечные отопительные системы улавливают прямую солнечную энергию внутри здания и превращает ее в низкотемпературное тепло: теплица, солярий, теплоемкие материалы стен и др. Эти системы аккумулируют солнечную энергию и медленно отдают ее в течение суток. Пассивные системы должны также сокращать потери тепла, т. е. дома должны быть герметичными, иметь теплоизолированные окна и стены и мало обособленных помещений. В США, например, спроектированы почти 500 000 жилых домов и 17 000 общественных зданий как пассивные системы улавливания солнечного тепла. В Израиле и Японии пассивные водонагреватели размещают на крыше домов для снабжения дома горячей водой.
В активных гелиоустановках специально спроектированные коллекторы концентрируют солнечную энергию и накапливают ее для отопления помещений и нагревания воды. Более 1 млн активных гелиосистем горячего водоснабжения установлено в Калифорнии, Флориде и других солнечных юго-западных штатах
США. На Кипре 90 % домов имеют солнечные водонагреватели, а в Израиле - 65 % домов.
Преобразование солнечной энергии в фотоэлементах используется в солнечных батареях. Поскольку один фотоэлемент вырабатывает мало электроэнергии, их объединяют на панели. Несколько панелей, установленных на крыше, могут снабжать электричеством жилой дом или административное здание. Но улавливание и концентрация рассеянного солнечного света для электрификации жилых домов и учреждений требуют много денег и затрат других видов энергии. Сейчас солнечные батареи снабжают около 15 000 домов во всем мире (деревни в США и Индии). Но эти здания расположены в отдаленных районах, куда слишком дорого проводить линию электропередач. Фотоэлементы используют в калькуляторах, переключателях, для зарядки аккумуляторов, на маяках, буях и т. д.
Для концентрации солнечной энергии с целью получения высокотемпературного высококачественного тепла, используемого в индустриальных процессах, для вращения турбин и получения электричества в промышленности, требуются громадные управляемые компьютерами зеркала, которые фокусируют солнечный свет на центральный коллектор тепла, расположенный наверху высокой башни. Самая большая солнечная печь работает в Пиренеях на юге Франции. Она дает температуру до 2 670 °С и используется для выработки пара и электричества. Установки меньших мощностей испытывались в Италии, Испании, Японии. В США построено пять 30-мега ваттных башен в Южной Калифорнии. Они вырабатывают электричество для нужд 10 000 домов.
Преимущества использования прямого солнечного света для отопления помещений и нагревания воды очевидны. В солнечные дни гарантирована бесплатная энергия с достаточно высоким КПД. Технология получения такой энергии хорошо разработана и не занимает много времени. Солнечная энергия в данном качестве является экологически чистой: в атмосферу не выбрасываются С02 и другие загрязняющие вещества. Нарушения почвен-
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
ного покрова практически нет, так как пассивные гелиоэнерге-тические системы встраиваются в готовых зданиях. Затраты на отопление зданий солнцем в районах с достаточным количеством солнечных дней невелики: строительство таких систем на 5 - 10 % повышает затраты, но общие расходы на весь срок службы на 30 - 40 % ниже, чем в обычных домах. Активные отопительные гелиоустановки несколько дороже, но в солнечных регионах они являются относительно малозатратным способом обеспечения домов теплом и горячей водой.
Использование солнечных батарей для отопления зданий также имеет ряд преимуществ. Они надежны, бесшумны, у них нет движущихся частей и они служат до 30 лет. Установка солнечных батарей не требует много времени и трудоемкого ухода. Изготавливают батареи из второго по распространению в земной коре элемента - кремния. Солнечные батареи не выделяют С02, не загрязняют воздух и воду, не разрушают почвы. Их коэффициент полезного действия довольно высок.
Что касается концентрации солнечной энергии для получения качественной высокотемпературной энергии, используемой в промышленности, то здесь выгоды не вполне очевидны. Строительство гелиобашен занимает более года, а стоимость 1 кВт электричества не меньше его стоимости на новой АЭС. Назвать их строительство и эксплуатацию вполне экологически чистыми нельзя.
Недостатки в разной степени присущи всем видам использования солнечной энергии.
Пассивные системы улавливания прямого солнечного светаработают лишь в солнечные дни - ночью и в облачные дни энергия не поступает, поэтому необходимы запасающие дублирующие системы. Первоначальная стоимость иногда пугает покупателей жилья, гелиоэнергетические системы остаются дорогими для большинства людей. Некоторые считают, что гелиокол-лекторы портят внешний вид дома и могут затеняться другими зданиями.
Солнечные батареи из фотоэлементов устанавливаются достаточно высоко. Они, как и солнечные коллекторы, ухудшают внешний вид дома. Солнечные батареи, не имеющие плотной защиты, могут быть повреждены ветром, дождем, градом. Для их производства необходимы, кроме кремния, дорогие и дефицитные металлы - галлий и кадмий. При изготовлении солнечных батарей появляются токсичные химические отходы, которые могут вызвать загрязнение воды.
Гелиоустановки для концентрации солнечной энергии в печах имеют очень низкий или нулевой выход чистой энергии. Стоимость их строительства и эксплуатации выше, чем всех других альтернативных источников энергии. Строительство энергетических башен требует больших площадей для аккумуляции солнечного света, дефицитных и дорогих материалов и других видов энергии. При их изготовлении образуются токсические отходы. Кроме того, гелиобашни строят обычно в богатых солнцем, экологически уязвимых биомах. Может возникнуть дефицит воды, используемой в охладительных целях.
Концентрирующие солнечный свет гелиоустановки пока не решают мировых энергетических проблем, а их стоимость очень высока. Только в районах с сильной солнечной радиацией СЭС могут быть экономичнее гидроэлектростанций (ГЭС).
Гидроэнергетиказанимает важное место во многих странах.
Кинетическая энергия падающей и текущей воды рек и ручьев использовалась с начала XVIII столетия на небольших и крупных ГЭС. Реки перекрывались гигантскими плотинами для создания водохранилищ, из которых вода с регулируемой скоростью падала в реку ниже плотины, вращая турбины и вырабатывая электричество. Получаемое таким путем электричество является скрытой формой вечной солнечной энергии, благодаря которой происходит глобальный круговорот воды. На долю гидроэнергии приходится 6 % всей мировой энергетики, в том числе 21 % вырабатываемого в мире электричества. Гидроэнергетика практически полностью обеспечивает производство электричества в таких странах,
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
как Норвегия (74 %), Швейцария и Австрия (67 %), Канада (70 %). В то же время Африка использует только 5 % своего гидроэнергетического потенциала, Латинская Америка - 8 %, Азия - 9 %.
Казалось бы, ГЭС - экологически чистые станции, не дающие никаких отходов. Но здесь тоже есть свои плюсы и минусы.
Преимущества ГЭС состоят в том, что многие развивающиеся страны имеют потенциальные ресурсы для их строительства, хотя иногда они расположены далеко от тех мест, где требуется электричество. ГЭС имеют средний или высокий выход чистой энергии и довольно низкую стоимость эксплуатации. В процессе их работы отсутствуют выбросы С02 и других загрязняющих веществ в атмосферу. Сроки эксплуатации этих электростанций в десятки раз превышают сроки эксплуатации ТЭС и АЭС. Плотины, кроме того, позволяют контролировать паводки и регулировать количество воды, подаваемой на орошение.
Недостатки крупных ГЭС обусловлены высокой стоимостью их сооружения. Кроме того, в развитых странах осталось немного возможностей для гидростроительства. В Америке доля используемых гидроресурсов составляет 60 %, в Европе - более 30 %. Мощные ГЭС построены в Венесуэле (10 млн кВт), Бразилии (12,6 млн кВт), Китае (13 млн кВт). Средняя мощность наших ГЭС (Нурекская, Рогунская, Куйбышевская, Братская и др.) - около 10 млн кВт.
При сооружении гигантских водохранилищ, рукотворных морей не учитывались гибель миллионов кубометров ценной древесины, миллионов гектар затопленных сельскохозяйственных земель и лесов, разрушение водных биоценозов на приплотинных участках, ущерб, наносимый рыболовству и рыбоводству, разрушение местообитаний диких животных. Людям приходилось покидать насиженные места и т. д. Эрозия почв и заиление вод приводят к сокращению сроков службы водохранилищ. Уменьшая сток рек, малые ГЭС уничтожают места рекреации.
Энергию колебаний уровня океана во время приливов и отливов люди стали использовать в XX веке. Однако для строительства приливных электростанций (ПЭС) на Земле существует
лишь около двух десятков мест. Во Франции успешно эксплуатируется ПЭС мощностью 240 тыс. кВт. Она практически является экологически чистой, а залив стал излюбленным местом отдыха и туризма. Природных возможностей для ПЭС у России больше, чем у других стран: Охотское море, европейские северные моря и др. Однако пока не начато строительство даже запланированной опытной ПЭС на Кольском полуострове.
Преимущества ПЭС заключаются в том, что прилив, обусловленный действием гравитационных сил, «бесплатен», а стоимость эксплуатации такой станции невелика. Выход чистой энергии достаточно высок. Атмосфера не загрязняется С02 и другими оксидами, нарушения почвенного покрова практически не происходит.
Недостатки обусловлены небольшим количеством мест, благоприятных для строительства ПЭС. Поэтому аналитики считают, что электричество, вырабатываемое на ПЭС, не может сыграть существенной роли в мировой энергетике. Стоимость их строительства достаточно высока. Мощность электростанций колеблется в течение суток в зависимости от фазы прилива, поэтому станции должны иметь дублирующие системы. Плотины и оборудование станций могут быть повреждены штормами, а металлические конструкции корродируют в морской воде.
Гидротермальная энергия используется при наличии горячих источников. В мире уже работают гидротермальные электростан-ции (ПЭС) общей мощностью более 6 млн кВт. Лидируют здесь США, Филиппины, Мексика, Италия, Япония.
Кинетическая энергия волн, создаваемых ветром, - еще один потенциальный источник энергии. В Японии, Норвегии, Великобритании, Швеции, США и России созданы пока лишь экспериментальные станции. Но ни одна из них не вырабатывает электроэнергию по конкурентоспособной цене. В Японии и США существуют проекты использования рассеянного в океане солнечного тепла. Однако большинство аналитиков сходятся во мнении, что широкомасштабное получение энергии из рассеянного в океане тепла никогда не станет рентабельным.
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Ветровая энергияиспользовалась людьми еще в XVII в. для движения кораблей, помола зерна, перекачивания воды и впоследствии для снабжения энергией маленьких фабрик. С 1930-х годов не охваченные электрификацией мелкие фермы использовали ветровые турбины для получения электричества. К 1950-м годам дешевая гидроэнергия и ископаемое топливо вытеснили большинство ветровых турбин.
В последнее время энергия ветра вновь привлекает внимание. Ветряные электрогенераторы построены в Дании, Калифорнии, Индии, Китае, Греции, Нидерландах, Швеции - всего около 20 000 ветровых турбин. Опыт показал, что использование ветроэнер-гии по приемлемой цене возможно в районах со средней скоростью ветра от 6,5 до 11,0 м/с, что характерно для горных перевалов и морских побережий. Больше 70 % электричества, вырабатываемого силой ветра, в мире генерируется на трех горных перевалах в Калифорнии. Калифорнийская энергетическая комиссия предполагает в XXI в. удовлетворять за счет энергии ветра до 10 % потребностей штата в электричестве. К числу стран, планирующих увеличить использование ветровой энергии, относятся Великобритания, Германия, Австралия и Россия.
Преимущества ветровой энергии в районах с большой и средней скоростью ветра в том, что ветер здесь является неограниченным источником энергии. Ветроэнергетические системы имеют высокий выход чистой энергии. Этот вид энергии экологически чистый: С02 и другие загрязняющие вещества не выделяются в воздух, при эксплуатации не требуется вода для охлаждения и практически не загрязняются водоемы. Земля, занятая ветровыми фермами, используется для выпаса скота. Предполагается, что ветровая энергия будет в будущем экономически выгоднее вырабатываемой ТЭС и АЭС.
Недостатки ветроэнергетики в том, что когда ветер затихает, необходимо резервное электричество от коммунальных сетей. Работа больших турбин связана с высоким уровнем шума и вызывает помехи на местном телевидении. В некоторых районах
крупные ветровые фермы мешают миграции перелетных птиц и нарушают красоту ландшафтов на горных перевалах и морских побережьях.
Энергия возобновляемой биомассы- это энергия органического растительного вещества, образующегося в процессе фотосинтеза. Биомассу или биотопливо можно использовать в виде дров, навоза, мусора либо в виде газообразного или жидкого топлива после соответствующей переработки.
Высокие цены на нефть толкнули некоторые страны к производству из сахарного тростника и кукурузы спирта, который в смеси с бензином используется в качестве горючего для автомашин. В Бразилии производство 1 л спирта дешевле, чем 1 л бензина. Но если цена на нефть падает до 20 долларов за баррель (159 л), такое производство становится экономически невыгодным. Для европейских стран бразильский опыт вообще непригоден. Так, в Германии для перевода 28 млн легковых машин на «алкогольное» топливо пришлось бы занять тростником половину площади всей страны. В США, правда, для производства спиртовых добавок к бензину стали использовать излишки кукурузы. Преимущество бензоспирта перед бензином - экологическая чистота.
Преимущества биологического топлива в том, что оно может быть использовано в твердом, жидком и газообразном виде для отопления помещений, нагрева воды, выработки электричества и в транспортных средствах. Биомасса - возобновляемый энергетический ресурс, но до тех пор, пока деревья и растения не уничтожаются быстрее, чем вырастают. Если это условие соблюдается, то и уровень С02 в атмосфере не повышается. При сжигании биотоплива нет существенных выбросов SOx и NOx, происходящих при сжигании угля.
Недостатки биотоплива в том, что широкомасштабное уничтожение деревьев и растений влечет за собой негативные экологические последствия: истощение и эрозию почв, загрязнение воды, уничтожение лесов и среды обитания диких животных, а следовательно, и снижение биоразнообразия. Кроме того, ресурсы биомассы имеют влажность до 95 %, что делает древесину тяжелой, а ее заготовку и транспортировку дорогими.
В заключениеследует сказать, что самый дешевый и легкий способ получить больше энергии и уменьшить нагрузки на окружающую среду состоит в повышении энергоэффективности промышленности, транспорта, общественных и жилых зданий. Этого можно
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
достичь путем экономии энергии, повышения энергоэффективности (рециркуляции тепла) и коэффициента полезного действия существующих электроприборов. Такой подход позволит продлить срок использования невозобновляемых запасов ископаемого топлива, увеличить время перехода к возобновляемым энергетическим ресурсам и неисчерпаемым вечным ресурсам солнечной энергии, стоимость концентрации которой при существующих технологиях остается очень высокой, а выход чистой энергии низким.
Будущее, вероятно, принадлежит тем странам, которые вкладывают достаточные средства в разработку энергосберегающих технологий и альтернативных источников энергии. Примером могут служить лидеры перестройки энергетики - Япония и Швеция.
Однако в современных условиях ископаемое топливо остается основным видом энергетических ресурсов, порождающих глобальные проблемы загрязнения и деградации окружающей среды. Это обратная сторона научно-технического прогресса.
К концу XX столетия экологические проблемы, с которыми столкнулось человечество (экспоненциальный рост населения, голод, загрязнение воздушного и водного бассейнов, деградации наземных экосистем, накопление токсичных и ядерных отходов, снижение биоразнообразия и т. д.), резко обострились. В то же время появились новые глобальные проблемы: парниковый эф-фект, разрушение озонового защитного экрана, кислотные дожди, вторичное загрязнение и разрушение водных экосистем и др.
8.3. ЗагрязнениеВ воздухе насчитываются сотни загрязняю-воздухащих веществ. Наибольшее негативное влияние на атмосферу, породившее такие проблемы, как «парниковый эффект», «озоновые дыры» и кислотные дожди, оказывают следующие классы соединений: 1) оксиды углерода - 2) оксиды серы - 3) оксиды азота - летучие органические вещества -метан хлорфторуглеводороды - ХФУ; 5) взве-
шенные твердые частицы - пыль, сажа, асбест, соли металлов, диоксины, пестициды и др. Рассмотрим основные проблемы общепланетарного масштаба.
Парниковый эффектсчитают причиной глобального потепления, которое наблюдалось в последние 20 лет XX столетия. Так, 1998 г. побил все рекорды: в Нью-Йорке в течение 40 дней температура не падала ниже 31 °С, суровая засуха привела к тому, что в США впервые сбор зерна упал ниже потребностей страны. На Ямайке пронесся страшный ураган, лишив крова 500 тыс. человек. Муссонные дожди затопили 2/3 территории Бангладеш - 25 млн людей потеряли жилище. В Антарктиде откололся гигантский айсберг длиной 130 км. Жарко было и в Европе.
Глобальное потеплениеобъясняют тепличным эффектом (по-английски «эффект гринхауз»). Чем же он вызван?
Миллиарды тонн углекислого газа ежегодно поступают в атмосферу при сжигании дров, угля, нефти, газа. Миллионы тонн метана каждый год выделяются при разработках газа и гниении органических остатков. Кроме того, в атмосфере увеличивается содержание водяного пара. Все вместе эти газы и создают парниковый эффект.
Как стеклянная крыша в парнике, пропуская солнечную радиацию, не дает уходить теплу, так и накопившиеся в атмосфере «парниковые газы», задерживая длинноволновое тепловое излучение Земли, не дают уходить теплоте в космос. Солнечный свет, проходя через стратосферу и тропосферу, достигает поверхности Земли. Поглощенная Землей теплота излучается в окружающее пространство. Но только часть тепловых лучей, достигающих стратосферы, рассеивается в космическом пространстве (рис. 8.6).
По расчетам американских ученых, в 1988 г. в атмосферу ушло 5,5 млрд т углерода от сжигания ископаемого топлива и 2,5 млрд т - от сжигания лесов в Амазонии. Более 40 % выбросов приходится на США и СНГ, к ним приближаются другие развитые страны.
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Рис. 8.6. Влияние парниковых газов на тепловой баланс Земли
Энергетический бум уходящего столетия увеличил содержание С02 в атмосфере на 25 %, а метана - на 100 %. Если рост добычи и использования топлива будет идти такими же темпами, то к 2010 г. будет выбрасываться около 10 млрд т углерода в год, и концентрация С02 в атмосфере значительно возрастет (рис. 8.7).
За последние 100 лет потепление на Земле составило 0,5 -0,7 °С: в 1890 г. средняя температура была приблизительно 14,5 °С, а в 1990 г. - 15,0 - 15,2 °С. Большинство ученых считают это следствием парникового эффекта.
Следствие парниковогоэффекта, вызывающее наибольшие опасения, - это подъем уровня Мирового океана. Международная конвенция климатологов в Австрии (1988) прогнозировала к 2030 - 2050 гг. повышение температуры на 1,5 - 4,5 °С, что может вызвать подъем уровня океана на 50 - 100 см, а к концу XXI века - на 2 м. Трудно предсказать все страшные
последствия повышения уровня моря. Людей ждет не только «всемирный потоп», могут усилиться засухи и пожары. Огромные лесные массивы в результате сгорания станут дополнительными источниками углерода, что усугубит потепление.
Рис. 8.7. Концентрация С02 в атмосфере, по наблюдениям обсерватории на Гавайских островах (по П. Ревелль, Ч. Ревелль, 1995)
Если произойдет облом Западно-Антарктического ледникового щита, это станет бедствием для трети населения Земли, проживающего в приморских городах, расположенных ниже уровня моря. Даже при умеренном повышении уровня моря будут затоплены такие города, как Шанхай, Каир, Роттердам, Венеция.
Повышение температуры вызовет и другие негативные последствия: сместятся климатические зоны, ареалы выращивания сельскохозяйственных культур. Во многих районах участятся наводнения, в других - засухи. Возможно, Гольфстрим не будет достигать северо-востока Европы, что вызовет похолодание в этой части Земли. Увеличатся частота и интенсивность ураганов, дождей, снегопадов, зимних паводков, пожаров в сухих лесах и степях. Все вместе повлияет на производство продовольствия и водоснабже-
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
ние. Резервуары с вредными отходами будут затоплены и произойдет загрязнение поверхностных и грунтовых вод.
Сработает ли прогнозируемый сценарий? В природе действуют и обратные связи. Фотосинтез и мировой океан являются буферной системой, потребляющей С02. Но в какой мере они смогут компенсировать избыточное поступление в атмосферу С02/
С другой стороны, запыленность атмосферы вследствие промышленных выбросов твердых частиц может препятствовать поступлению теплового излучения на Землю, как, например, после извержения вулкана (рис.8.8).
Рис. 8.8. Влияние пылевого загрязнения на температуру Земли и последствия похолодания (по П.Ревелль, Ч.Ревелль, 1995)
Пылевое облако настолько снизило солнечную радиацию, что похолодание привело к увеличению снежного покрова. Это, в свою очередь, вызвало гибель на близлежащей территории 90 % молодых зайчат, а через 3 года было зафиксировано снижение поголовья рыси, которая погибала из-за недостатка пищи.
И все-таки из-за неопределенности ситуации нельзя отказываться от стратегического планирования, мириться с уничтожением лесов, выбросом в атмосферу парниковых газов.
На совещании ООН по охране окружающей среды в Гааге (1989) Бразилия предложила создать специальный фонд для оказания экологической помощи развивающимся странам. Если бы каждая страна платила по 1000 долларов за тонну выброшенного в атмосферу С02, то за год накопилась бы сумма, достаточная для погашения внешнего долга стран «третьего мира» и финансирования программ по защите климата.
На Конференции по охране окружающей среды в Рио-де-Жанейро (1992) была принята Конвенция ООН об изменении климата, в которой записано, что участвующие страны «преисполнены решимости защитить климатическую систему в интересах нынешнего и будущего поколений». Конечная цель Конвенции - добиться стабилизации концентрации парниковых газов в атмосфере на уровне, не допускающем опасного воздействия на климатическую систему. При этом 25 развитых стран, а также страны, осуществляющие переход к рыночной экономике, включая Россию, должны взять на себя обязательства: вернуться к уровням выбросов парниковых газов 1990 г., предоставить финансовые ресурсы, передать безопасные технологии другим заинтересованным сторонам и др.
В 1997 г. в японском городе Киото рядом стран был подписан протокол о снижении выбросов парниковых газов. Однако в 2001 г. американский президент Дж. Буш отказался ратифицировать этот документ.
Озоновые дырыобразуются при разрушении защитного озонового экрана Земли. Мы уже говорили, что жизнь сохраняется потому, что вокруг планеты образовался озоновый слой, защитивший биосферу от смертоносных ультрафиолетовых лучей (рис.8.9).
Разрушение озонового экранаобнаруживалось каждый год над Антарктидой с 1975 г., а начиная с 1980 г., с сентября по ноябрь, содержание озона в стратосфере этого региона сни-
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
жается на 50 % ежегодно. В 1987 г. озоновая «дыра» покрывала территорию, равную площади США. В 1988 г. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) США опубликовало данные об уменьшении озонового столба над наиболее густонаселенными районами Северной Америки, Европы, Китая и Японии на 3 %, а над странами Скандина-
Рис. 8.9. Накопление озона в стратосфере вии и Аляской - на 6%. Позже
(по П.Ревелль, Ч.Ревелль, 1995)
над Северным полюсом было также замечено сокращение озонового столба на 10 %.
Озоновый столб - это количество озона, через которое ультрафиолетовые лучи должны пройти из верхних слоев атмосферы до поверхности Земли в данном пункте.
Средняя концентрация озона в стратосфере составляет приблизительно 0,00005 %, хотя и колеблется в разных географических областях. Колебания средней концентрации озона до 10 % могут быть обусловлены естественными флуктуациями, вызванными извержениями вулканов и циклическими изменениями солнечной активности. Уменьшение количества озона в результате деятельности человека оказывает влияние на здоровье людей и климат Земли. Так, американские ученые полагают, что каждое уменьшение озонового столба на 1 % приводит к 2 %-ному усилению ультрафиолетовой радиации и 2,5 %-ному учащению заболеваний раком кожи. Число смертельных случаев меланомы может возрасти до 30 тыс./год. Участятся случаи катаракты глаз. Сократятся урожаи важных пищевых культур: кукурузы, риса, сои, пшеницы. А ежегодный ущерб от разрушения пластиков составит свыше 2 млрд долларов.
Причины появления «озоновых дыр»объясняют по-разному. Возможно, это связано с естественными циклами в природе, на которые раньше не обращали внимания. Первоначально основной причиной разрушения озонового слоя считали воздействие сверхзвуковых транспортных самолетов, которые загрязняют стратосферу водой и оксидами азота, способными разрушать озон:
Но высокая стоимость таких полетов настолько замедлила развитие сверхзвуковых перевозок, что теперь они не представляют существенной угрозы для озонового экрана.
Однако в одном ученые сходятся: фреоны (хлорфторуглево-дороды - ХФУ) и бромсодержащие холоны способствуют разрушению озонового слоя. Эти химические вещества, созданные человеком, широко используются в качестве аэрозолей, хладагентов, растворителей, в огнетушителях и др. Попадая в стратосферу, под действием высокоэнергетической ультрафиолетовой радиации хлорфторуглеводороды разрушаются, а атомы хлора, выделяющиеся при этом, взаимодействуют с озоном:
Образовавшийся монооксид хлора взаимодействует с
атомами кислорода ивосстанавливает хлор:
Затем возникает цепная реакция разрушения озона. Один атом хлора может превратить до 100 тыс. молекул О3 в молекулы 02. Атомы брома (Вr), выделяемые из холонов, также превращают озон в кислород.
Производство хлорфторуглеводородов в мире высоко: только США дают ежегодно половину всего количества - 800 - 900 тыс. т. Хлор и фторзамещенные углеводороды не только воздействуют на озон, но и отражают инфракрасное излучение, что может усугублять парниковый эффект.
Кроме того, ученые осознали, что хлор- и фторзамещенные углеводороды и сверхзвуковая авиация вовсе не единственные факторы, наносящие ущерб озоновому слою. Ядерные взрывы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
также высвобождают оксиды азота, разрушающие озон. Следовательно, в случае ядерной войны ультрафиолетовая радиация может стать такой же проблемой, как и радиоактивные осадки.
Выхлопные газы автомобилей и удобрения в почве - тоже источники оксидов азота. Известно, что бром в виде метилбромида широко используемый в сельском хозяйстве, может раз-
рушать озон. Сколько его улетучивается в атмосферу, пока неизвестно. Предполагают, что большие количества таких промышленных химикатов, как четыреххлористый углероди метилхло-роформмогут выделять заметные количества хлора.
Одновременно существуют явления и процессы, которые тормозят разрушение озона или способствуют его образованию. Так, считается, что парниковый эффект приводит к нагреванию атмосферы лишь вблизи поверхности Земли - в тропосфере, а в стратосфере возможно охлаждение, замедляющее разрушение озона. Метан и оксиды азота в тропосфере
способствуют образованию озона.
Таким образом, действует комплекс противоположно направленных факторов.
Разрушение озона обусловлено поступлением в стратосферу ХФУ, холонов, оксидов азота
Образованиеозона ускоряетсявыделяю-
щимися в тропосферу при сжигании топлива.
Следовательно, образование озона происходит, главным образом, в тропосфере, а разрушение - в стратосфере (рис. 8.10).
Но даже если эти противоположные процессы компенсируют друг друга, то вследствие перемещения озона из одного слоя атмосферы в другой могут происходить нарушения естественного равновесия, последствия которого пока неизвестны. Однако весьма вероятно, что этим разрушается защитный экран Земли.
Рис. 8.10. Факторы, влияющие на озоновый слой
В США, на долю которых приходилась половина всего мирового выброса хлор- и фторуглеводородов, в 1979 г. использование их в аэрозолях было запрещено законом. Однако применение этих соединений в холодильниках и кондиционерах после некоторого снижения в 70-х гг. вновь возросло.
Международная конференция по этой проблеме (Монреаль, 1987) приняла резолюцию сократить выпуск хлорфторуглеводо-родов к концу XX века на 50 %. В материалах Конференции ООН в Рио-де-Жанейро (1992) отмечено, что есть основания для беспокойства по поводу разрушения стратосферного озонового слоя Земли. Несмотря на Монреальский протокол, общее содержание разрушающих озоновый слой веществ в атмосфере
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
продолжает увеличиваться. Это свидетельствует о том, что принятые соглашения, если и выполняются, то не всеми странами. В связи с этим правительствам всех стран предлагается ратифицировать или принять Монреальский протокол и поправки к нему 1990 г. Это означает, что развитые страны должны в кратчайшие сроки сделать взносы в целевые фонды по озоновому слою и содействовать передаче технологий замены ХФУ развивающимся странам.
Но даже если бы эти вещества были запрещены сегодня, планете потребуется 100 лет для ликвидации последствий современного истощения озона. К тому же не известно, согласятся ли развивающиеся страны отказаться от выгод использования ХФУ.
Кислотные дождиявляются другим видом загрязнения атмосферы, не признающим государственных границ. Во многих странах (вначале в Скандинавии, а затем в США, Канаде, Северной Европе, Японии и др.) ученые обнаружили, что дождевая вода, казалось бы, самая чистая в природе, содержит большое количество кислот. Причина этого - выбросы в атмосферу оксидов серы и азота.
Оксидысеры иазота поступают в воздух при сжигании ископаемых видов топлива, первое место среди которых занимает каменный уголь (до 90 %), на втором месте - нефть, значительно уступает им газ. Оксиды азота образуются в основном при
сжигании топлива автомобильным транспортом (рис. 8.11).
В 1983 г. тепловые электростанции при сжигании угля и нефти выбросили в атмосферу 16,8 млн т серы, или 87 % всех оксидов серы, выброшенных в том же году.
При сжигании угля и нефти образуются диоксид и триоксид серы . В атмосфере окисляется до
Образовавшийся триоксид реагирует с водяным паром, образуя серную кислоту:
Рис. 8.1 1. Количество выбросов оксидов серы и азота в атмосферу от различных источников
Серная кислота присутствует в воздухе в виде легкого тумана, состоящего из крошечных капель.
Сгорая, топливо образует также оксиды кальция и железа, которые вступают в реакцию с серной кислотой:
Количество содержащихся в городском воздухе твердых частиц сульфатов кальция и железа и капелек серной кислоты может достигать 20 %. Ветер разносит эти загрязнения на сотни километров от места их выброса: возникают туманы и смоги.
Оксиды азота окисляются в воздухе и тоже растворяются в капельках воды, образуя азотную кислоту:
Эти две кислотыа также их соли и обус-
ловливают выпадение кислотных дождей. На растения, почву и воду выпадают также сухие частицы в виде солей.
Естественная дождевая вода имеет слабокислую реакцию (рН=6), так как находится в контакте с(естественный компонент атмо-
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
сферы) и растворяет ее, образуя слабую угольную кислоту:
Однако дожди, выпадающие в Новой Англии, например, имеют иногда- весьма необычное явление для дождевой воды. В
других регионах мира часто наблюдаются дожди с рН ниже 4 (рис. 8.12).
Рис. 8.12. Значение рН для некоторых продуктов и кислотных дождей
Европа также страдает от кислотных дождей (рис. 8.13).
Спектр влияния кислотных дождейочень широк. Прежде всего, они сказываются на популяциях рыб в озерах, особенно вы-сокогорных, где вода стала кислой. По данным 1975 г., в США 51 % озер имели рН воды меньше 5, в 90 % этих озер рыба полностью отсутствовала. Правда, трудно предположить, что такая вода может сильно влиять на взрослых рыб. Скорее всего, низкий рН препятствует размножению рыб, убивая икру.
Снижение численности рыб влечет за собой исчезновение животных, которые питаются рыбой: белоголового орлана, гагар,
чаек, норки, выдры и др. Численность земноводных (лягушек, жаб, тритонов), возможно, тоже сокращается.
Рис. 8.13. Средние значения рН дождевой воды в Европе в 1978-1982 гг. (по П. Ревелль, Ч. Ревелль, 1995)
Кроме того, подкисленные воды лучше растворяют различные минералы. Ртуть, содержащаяся в природных водоемах, в кислой среде может превратиться в ядовитую монометиловую ртуть. Подкис-лени в источниках водоснабжения приводит к растворению в трубах токсичных металлов, которые попадают в питьевую воду. Так, в одном из районов Нью-Йорка подкисленная питьевая вода, простоявшая в трубах целую ночь, растворила свинец, и его содержание превысило допустимые нормы.
Кислотные дожди разрушают строительные материалы (растворы, гипс, камень и др.), реагируя с кальцием и магнием, входящими в их состав; усиливают коррозию строительных конструкций из железа и других металлов. Шведские специалисты обнаружили высокую корреляцию между кислотными дождями и коррозией ста-
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
ли. Бесценные мраморные статуи, исторические здания и витражи во всем мире подвергаются пагубному воздействию кислотных осадков. Конечно, кислотные дожди отрицательно влияют и на наземные экосистемы. Несомненно, они - одна из причин деградации лесов. По имеющимся данным, в Чехословакии серьезно повреждены деревья на 200 тыс. га лесов именно в тех местах, где интенсивно сжигают бурый уголь с высоким содержанием серы. В Польше погибшие деревья в районах, где используется бурый уголь, обнаружены уже на 500 тыс. га. То же самое отмечено в Австрии, Швейцарии, Швеции, Германии, Голландии, Румынии, США и других странах. Кислотные дожди могут высвобождать из почв токсичный для растений алюминий.
Твердые частицы и оксиды серы, действуя совместно, вредно влияют и на здоровье людей. Серная кислота, растворяясь в каплях воды, образует едкий туман, вызывающий аллергию и другие заболевания. Частицы сульфатов железа могут создавать дополнительный канцерогенный потенциал в городском воздухе. Трагический случай зарегистрирован в 1952 г. в Лондоне: за 5 дней из-за загрязнений, накопившихся в воздухе, погибли 4000 человек.
Предотвращение последствий кислотных дождей- непростая проблема. Водные и наземные экосистемы могут содержать известняк и другие щелочные вещества, которые в какой-то степени нейтрализуют кислотные дожди. Но многократное воздействие выпадающих с осадками кислот истощает их буферную емкость. В Швеции и США в порядке эксперимента было предпринято известкование озер. Известняк содержит карбонат кальция, который уменьшает кислотность воды и создает некоторый резерв сопротивляемости - буферную емкость:
Известкование можно применять и для снижения кислотности почв в лесах. В Шварцвальде (Германия) в одном из лесов в почву внесли смесь сульфата магния (800 кг/га) и известняка (2270 кг/га). После такой обработки поврежденные деревья стали «выздоравливать».
Для борьбы с кислотными дождями используются те же технические средства, что и для ограничения выбросов оксидов серы и азота в атмосферу. Очистные установки различных конструкций хорошо известны. В 1982 г. Норвегия, Финляндия и Швеция предложили уменьшить выброс в атмосферу серы на 30 %. К ним присоединились Дания, Германия, Швейцария, Австрия, Канада. Канада поставила цель снизить выбросы оксидов серы на 50 %. Великобритания и Франция отказались от таких обязательств.
В настоящее время выброс в атмосферу оксидов серы уменьшился по сравнению с 1975 г. примерно на 20 %. Не следует забывать и о том, что при сжигании угля на ТЭС и в других промышленных производствах образуется большое количество твердых частиц. Транспортные средства также выбрасывают в воздух частицы солей свинца, капельки углеводородов, что обусловливает фотохимический смог.
Основные «поставщики» оксидов азота - выхлопные газы от автомобилей. Для борьбы с ними применяются каталитические конверторы и усовершенствованные двигатели. В США эти меры используются довольно широко, но в Европе пренебрегают контролем за выхлопными газами, хотя европейская автомобильная промышленность располагает необходимыми технологиями и на автомобили, экспортируемые в США, защитные устройства устанавливаются.
В заключениеследует подчеркнуть, что все страны на международном уровне должны, наконец, договориться о снижении выбросов диоксида углерода и других парниковых газов; сокращении выбросов оксидов серыи оксидов азотазапрещении использования хлорфторуглеводородов.
Но что может сделать каждый из нас для уменьшения загрязнения воздуха и разрушения озонового экрана, замедления глобальных изменений климата и экономии денег? Прежде всего, повысить эффективность использования энергии. Пользуйтесь автомобилями, потребляющими мало бензина (до 15 км на 1 л);
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
ходите больше пешком; ездите на велосипеде. Замените лампочки накаливания на компактные люминисцентные лампы. Покупайте экономичные бытовые приборы. Сдавайте на переработку газеты, алюминий и другие материалы. Сажайте деревья. Избегайте покупать изделия, содержащие ХФУ. Изменение нашей психологии по отношению к потреблению любых ресурсов для предотвращения изменений климата и обеспечения здорового воздуха (среды обитания человека) является одним из самых важных экологических, политических, экономических и этических требований нашего времени.
8.4. ЗагрязнениеНесмотря на то, что вода является возобнов-
водыляемым ресурсом, она может быть загрязнена до такой степени, что становится непригодной для многих видов водопользования и вредной для живых организмов. Кроме того, антропогенная деятельность приводит к деградации и разрушению водных экосистем.
Загрязнение воды связано с использованием наземных экосистем и загрязнением атмосферы. Это экологическая проблема не только локального, регионального, но и глобального уровня. Речные и океанические течения переносят загрязения далеко от мест их сброса, часто пересекая государственные границы.
П Загрязнение пресноводных экосистемпроисходит из точечных и неточечных источников. Точечные источники сбрасывают загрязнения по трубам, канавам и канализационным системам со сточными водами. Примерами служат промышленные предприятия, очистные станции, угольные шахты, нефтяные скважины. Неточечные источники - это поверхностный сток и грунтовые воды, собирающие загрязняющие вещества с обширных водосборных бассейнов: пашен, откормочных хозяйств, районов лесозаготовок, строительных площадок, автостоянок, дорог и городов. Другим неточечным источником является воздушный бассейн, откуда загрязняющие вещества попадают в реки, озера, водохранилища, в основном с осадками: кислотными и радиоактивными дождями и др.
В реках,особенно с быстрым течением, концентрация относительно небольшого количества загрязнений может снижаться, а запасы растворенного в воде кислорода восстанавливаться благодаря способности водоемов к самоочищению. Самоочищение -это комплекс естественных механических, физико-химических и биохимических процессов, приводящих к восстановлению первоначальных свойств воды: разбавление, смешение, осаждение, коагуляция, биохимическое окисление и др. Это происходит в том случае, если нагрузка загрязняющих веществ не превышает экологическую аккумулирующую емкость (экологический резерв) водотока. Однако некоторые вещества очень плохо или вообще не поддаются биохимическим процессам разложения и концентрируются в живых организмах, поступая по пищевым цепям: ДДТ, полихлорированные дифинилы, радиоизотопы, соединения ртути и др.
Существует мнение, что качество речной воды резко улучшится, если делать водозаборы питьевой воды города ниже по течению, так как в этом случае люди вынуждены осуществлять глубокую очистку отходов. Однако такому превентивному подходу препятствуют политические и экономические соображения, так как брать более чистую воду выше по течению проще и дешевле.
В озерах и водохранилищахпроцессы самоочищения протекают менее эффективно, чем в реках, так как в них часто наблюдается вертикальная термическая стратификация, мешающая перемешиванию верхних и нижних слоев воды. Кроме того, озера и водохранилища накапливают большие объемы донных отложений, содержащих биогенные и токсичные вещества. Очистка и замена воды в них занимает от года до ста лет. Таким образом, озера представляют собой природные западни, подверженные большой опасности загрязнения. В России загрязнение грозит даже уникальному озеру Байкал - крупнейшему и самому глубокому в мире водоему с пресной водой. В результате избыточного антропогенного поступления фосфатов и нитратов в озерах развиваются процессы «цветения», называемые
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
культурной, или антропогенной эвтрофикацией. Это явление в настоящее время стало причиной вторичного загрязнения озер, водохранилищ, эстуариев, многих районов внутренних морей и прибрежных зон океанов. Так, в США от культурной эвтрофикации в той или иной степени страдает треть из 100 тысяч озер среднего размера и 85 % крупных озер, расположенных вблизи населенных центров. Огромные объемы воды, идущие на охлаждение электростанций, часто сливаются в озера. Слив теплой воды с одной или нескольких электростанций в одно и то же озеро или реку с медленным течением также вредно воздействует на водные биоценозы и способствует эвтрофикации водоемов. Это явление называется тепловым загрязнением.
□ Загрязнение морских экосистемнаиболее велико. Океан - наша основная свалка. Жак Кусто (1990) предупреждал: «само выживание человека как вида зависит от сохранения океана, раскинувшегося на весь мир, чистым и живым. Океан является поясом жизни для нашей планеты». Между тем, океан служит основным местом захоронения отходов человеческой деятельности. Помимо природного стока, в него поступают сельскохозяйственные, промышленные и городские сточные воды, атмосферные загрязненные осадки, мусор, стоки с судов. Происходит нефтяное загрязнение морских вод в результате утечек с танкеров и буровых платформ, а также преднамеренного слива нефти при очистке трюмов танкеров. Баржи и суда сбрасывают в океан осадки сточных вод, осадочные породы при проведении землечерпательных работ в гаванях, донные отложения рек и каналов при очистке судоходных фарватеров и т. д.
Глубоководные районы океанов способны переработать огромные объемы разных отходов, но прибрежные зоны и эстуарии страдают от загрязнения. Например, в Великобритании около 60 % прибрежных акваторий сильно загрязнены, так же как и большая часть Средиземного и Балтийского морей. Есть опасения, что уже превышены предельно допустимые уровни загрязнения во многих прибрежных зонах.
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Токсические химические вещество и пластмассы- такие виды загрязнений, которые полностью не разлагаются в результате естественных процессов самоочищения. Там, где сбрасываются токсичные отходы (пестициды, синтетические органические вещества, многие пластмассы), жизнь практически отсутствует. Омары, крабы и рыбы поражены опухолями и язвами. Исследования указывают, что ежегодно погибает около 2 млн морских птиц и более 100 000 морских млекопитающих (китов, тюленей, дельфинов, морских львов), которые съедают пластиковые стаканы, пакеты и другой пластмассовый мусор. Торговые суда ежедневно выбрасывают по меньшей мере 450 000 пластиковых контейнеров. За треть всего хлама, сбрасываемого в океаны, несут ответственность США.
Загрязнение океана нефтью- другая серьезная экологическая проблема глобального масштаба. Чаще всего обращают на себя внимание аварии танкеров и выбросы нефти под большим давлением из буровых скважин на дне океана. Однако более половины (по некоторым оценкам, до 90 %) нефти попадает в океан с суши в результате стока нефтяных отходов городов и промышленных предприятий. Воздействие нефти на морские экосистемы зависит от многих факторов: типа нефти (сырая или очищенная), размеров загрязнения и удаленности от берега, времени года, погодных условий, температуры воды, приливно-отливных течений и т. д. Нефть - это смесь сотен веществ с различными свойствами. Ароматизированные углеводороды (бензол, толуол) - главная причина мгновенной гибели многих ракообразных и немигрирующих рыб, особенно в личиночной стадии. В теплых водах некоторые токсичные вещества испаряются в течение одного-двух дней. Смолоподобные клейкие вещества долго остаются в воде и прилипают к оперению птиц, меху морских выдр, тюленей, к песку и скалам. Птицы и животные тонут и погибают. В теплых водах эти вещества с помощью нефтеокисля-ющих бактерий в течение нескольких месяцев разлагаются, в полярных морях это происходит значительно дольше. Максимальное долгосрочное воздействие на морские экосистемы оказыва-
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
ют тяжелые компоненты нефти, которые оседают на дно океана. Они вызывают гибель донных организмов: крабов, устриц, мидий и других моллюсков. Нефтяное загрязнение придает запахи и привкусы рыбам и промысловым морским организмам, что делает их непригодными для употребления человеком.
Большинство форм морской жизни восстанавливается после воздействия на них сырой нефти в течение трех лет. Восстановление жизни после воздействия очищенной нефти, особенно в эстуариях, может продолжаться десятки и более лет. Нефтяные пятна в холодных полярных водах сохраняются дольше. Нефть, которая выносится на берег, наносит серьезный экономический ущерб жителям прибрежных районов: падает доход от рыбной ловли, туризма, зон рекреации, пляжей.
В Антропогенное эвтрофирование- одно из проявлений воздействий человека на водные экосистемы. В конце XX столетия эта проблема приобрела особую актуальность во всем мире.
Эвтрофирование(гр. ей - избыточный, trophe - пища) может приводить к
деградации как пресноводных, так и морских экосистем, вызывает вторичное загрязнение воды и нарушает все виды водопользования.
Трофность водоемов- термин, введенный в 1921 г. немецкими гидробиологами А. Тинеманом и Э. Науманом для обозначения способности водоемов фотосинтезировать органическое вещество как пищу для рыб. Впоследствии этим термином стали пользоваться для обобщенной характеристики и классификации водных экосистем. Выделяют три степени трофности водоемов. Дистрофные (гр. dys - отсутствие, отрицание) водоемы характеризуются превышением скорости деструкции органических веществ над скоростью фотосинтезаи, следовательно, очень низким содержанием органических веществ. Олигот-рофные(гр. oligo - бедный) водоемы имеют сбалансированные скорости продукционно-деструкционных процессови невысокую концентрацию органических веществ. Эвтрофныеводоемы характеризуются цветением водорослей и накоплением
органических веществ, так как скорости продукции превышают скорости деструкции: . Между этими градациями
выделяют промежуточные: ультраолиготрофные- между дист-рофными и олиготрофными и мезотрофные- между олигот-рофными и эвтрофными.
Постепенный переход водоема из дистрофного или олигот-рофного состояния в эвтрофное называется эвтрофированием.Эвтрофирование может происходить естественным путем и в результате деятельности человека. Естественный процесс длится сотни и тысячи лет. Антропогенное эвтрофирование происходит в течение десятков лет. Скорость фотосинтеза резко увеличивается вследствие поступления в водоемы питательных веществ со сточными водами и поверхностным стоком (рис. 8.14).
Рис. 8.14. Влияние сточных вод на процесс эвтрофирования (по Е. В. Неверовой, 1988)
Наиболее очевидным проявлением антропогенного эвтрофирования является массовое развитие микроскопических планктонных водорослей, обитающих в толще воды - фитопланктона, и высшей водной растительности (рис. 8.15).
Антропогенное эвтрофирование, как сказано выше, ведет к вторичному загрязнению воды, ухудшению ее качества и нарушению водопользования. Засорение фильтров, водоприемных устройств и трубопроводов массой водорослей серьезно затрудняет
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
водоснабжение. Повышение уровня трофности сопровождается изменением состава фитопланктона: начинают преобладать сине-зеленые водоросли (90 - 95 % от общей численности). Некоторые из них придают воде неприятный запах и вкус, могут выделять токсичные вещества. При отмирании водорослей в местах их массового скопления поглощается кислород и возникают заморы
Рис. 8.15. Эвтрофирование в прибрежной полосе Северного моря: А - вид сверху; Б -капля воды под микроскопом
Серьезные нарушения вызывает интенсивное зарастание прибрежных мелководий высшей водной растительностью. Зарастания затрудняют заборы воды и рыбный промысел, воздействуют на динамику вод: уменьшают скорость береговых течений, гасят волновые движения, увеличивают седиментацию, нарушают водообмен. Остатки отмерших водорослей на мелководьях могут вызывать процессы гниения и брожения, сопровождающиеся выделением дурнопахнущих продуктов. В случае рекреационного использования водоемов к отрицательным последствиям цветения и зарастания следует добавить снижение эстетических достоинств ландшафтов. При разложении водорослей в воде увеличивается концентрация свободной углекислоты, аммиака, сероводорода, восстановленных соединений железа, марганца и других веществ. Это приводит к резкому ухудшению качества питьевой воды, иногда делает ее токсичной. В водопроводной сети выпадает осадок гидрооксида железа. Увеличивается агрессивность воды относительно бетона, разрушаются материалы, применяемые в гидростроительстве. Ресурсная деградация водоемов ставит проблему антропогенного эвтрофирования в ряд глобальных.
Причины антропогенного эвтрофирования- избыточное поступление в водоемы биогенных веществ. Основными питательными для водорослей (биогенными) веществами являются минеральные формы углерода, азота и фосфора. Содержание углерода в воде в форме углекислоты, дикарбонатов и органических веществ практически всегда достаточно; лимитируют или стимулируют развитие водорослей обычно соединения фосфора и азота. Связь эвтрофирования водоемов с обогащением их фосфором и азотом не нуждается в специальных доказательствах и вытекает из схемы балансового уравнения фотосинтеза:
Согласно закону действующих масс при увеличении концентрации азота и фосфора скорость прямой реакции, т. е. скорость фотосинтеза, возрастает, что и приводит к эвтрофирова-
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
нию. Это положение подтверждено многочисленными исследованиями на водоемах. Например, эвтрофирование Боденского озера в начале 60-х гг. было связано с увеличением в воде концентрации фосфатов: в 1940 г. фосфатный ион не обнаруживался, в 1950 г. было найдено 4,5 мг/м3, в 1955 г. - 12, в 1960 г. - 30, а в 1964 г. - уже 50 мг/м3. То же наблюдалось в Цюрихском озере, где содержание минерального фосфора возросло с 69 мг/м3 в 1946 г. до 269 мг/м3 в 1969 г., что привело к появлению очевидных признаков эвтрофикации. В озере Вашингтон до начала эвтрофирования в 1933 г. содержание фосфатов было 10 мг/м3, а нитратов - 100 мг/м3; в 1963-1965 гг. концентрации этих ионов соответственно возросли до 60 и 500 мг/м3, и в озере началось цветение. В Невской губе и Финском заливе признаки увеличения степени трофности наблюдаются в тех районах, где концентрации фосфат-ионов превышают 20-30 мг/м3. Имеет значение и соотношение основных питательных элементов, используемых водорослями. Считается, что максимальная скорость роста достигается в воде, в которой соотношение углерода, азота и фосфорасоответствует их атомно-массовому отношению в составе вещества водорослей. Для фитопланктона в среднем оно приближается к 106:16:1. Всякое отклонение от данного соотношения в окружающей среде говорит об изменении обеспеченности водорослей питательными веществами.
Роль фосфора в эвтрофировании заслуживает особого рассмотрения в связи с тем, что он не содержится в атмосфере, а резервный фонд его находится в земной коре. Долгое время именно фосфор, как труднодоступный элемент, лимитировал эвтрофирование. Сейчас концентрация растворенных фосфатов в бытовых стоках возрастает вследствие применения фосфорсодержащих моющих средств. По имеющимся данным, сточные воды после биологической очистки обогащаются минеральными формами азота и фосфора.
Основные источники антропогенного поступления биогенных веществ в воду - бытовые и промышленные сточные воды, повер-
хностный сток с городских территорий, рекреационные зоны и смыв с полей минеральных удобрений. При этом соотношение азота и фосфора для разных источников различно. Так, для Германии приводятся следующие данные: поступление азота с коммунальными водами - 30 %, со стоками с сельскохозяйственных угодий - 70 %; фосфора, соответственно, - 91 и 9 %. Для Европы в целом принято считать, что с сельскохозяйственных угодий поступает азота до 25 %, а фосфора - до 12 %. Другие источники поступления веществ, стимулирующих эвтрофирование: атмосферные осадки, судоходство, донные отложения -можно считать второстепенными.
При разработке мероприятий по предотвращению антропогенного эвтрофирования прежде всего должен решаться вопрос о предельно допустимом сбросе (ПДС) биогенных веществ в конкретный водоем. Для инженерных расчетов ПДС эвтрофирующих веществ необходимо располагать нормативами на предельно допустимые концентрации их в водоеме хотя бы для основных регуляторов трофности - азота и фосфора. Утвержденных нормативов на предельные концентрации минеральных соединений фосфора и азота, при превышении которых начинается эвтрофирование, в настоящее время не существует. Имеются лишь эмпирические данные для различных водоемов, позволяющие косвенно судить об экологических нормативах на биогенные вещества. Принято считать, что цветение воды становится вероятным, когда содержание минерального азота превышает 0,3-0,5 мг/л, а минерального фосфора - 0,01-0,03 мг/л.
Эвтрофирование водоемов зависит не только от нагрузки на водоем биогенных веществ, но и от климатических, гидродинамических и морфологических особенностей водоема. Лимитировать цветение при достаточной концентрации питательных веществ могут низкая температура, недостаточная солнечная радиация, высокие скорости течений, большая глубина, мутность воды и другие экологические факторы. Наиболее сильно эвтрофирование происходит в хорошо прогреваемых и освещаемых при-
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
брежных мелководьях. Поэтому нормативы биогенных веществ должны быть региональными, а для крупных водных систем -локальными.
Мероприятия по предотвращению антропогенного эвтро-фированияразрабатываются в основном в двух направлениях: 1) ограничение поступления в водоемы эвтрофирующих веществ и 2) воздействие на комплекс условий в самом водоеме с целью снижения скорости развития водорослей.
Ограничение поступления в водоем эвтрофирующих веществ возможно путем отведения стоков за пределы водосбора или изъятием биогенных веществ в системе очистных сооружений.
Первый вариант является наиболее радикальным. Эффект обратимости эвтрофирования при его использовании был достигнут на озерах Вашингтон, Монона, Аннеси и др.
Извлечение из сточных вод эвтрофирующих веществ является актуальной технологической задачей, так как даже наиболее совершенные методы очистки не освобождают их от минеральных соединений азота и фосфора. Появилась необходимость введения третьего этапа глубокой доочистки. Методы очистки сточных вод от фосфора и азота подразделяются на физико-химические (осаждение, коагуляция, ионный обмен, электролиз) и биологические (потребление биогенов бактериями, водорослями и другими организмами). Эффективной мерой является запрещение или установление лимита на использование фосфатов в моющих средствах, что уже делается в Германии и США.
Ограничение поступления биогенных веществ с сельскохозяйственных угодий и зон рекреации связано с множеством трудностей. Одни обусловлены природой материкового стока в конкретных географических условиях, его сезонными и годовыми колебаниями; другие - различием поведения соединений азота и фосфора. Соединения азота хорошо растворимы и переходят в состав жидкого стока, соединения же фосфора сохраняют связь с частицами почвы и плохо переходят в раствор. Наибольший вынос фосфора осуществляется в процессе эрозии почв. Отсю-
да возникают два пути снижения выноса биогенных элементов -уменьшение потерь азотных удобрений, вносимых в почву, и борьба с эрозией почв. Решить эти задачи можно только совместными усилиями гидро- и агротехников, специалистов по санитарной технике и др. Техническими мероприятиями могут быть: развитие водоохранной лесомелиорации; применение противо-эрозионной агро- и гидротехники; устройство прибрежных водоохранных зон.
Ограничить поступление биогенных элементов из рекреационных зон можно путем организации мест сбора отходов, облегчающих их удаление за пределы водосбора.
Воздействие на водоемы, которые уже стали подвергаться эвтро-фированию, в частности, увеличением проточности и водообмена, лимитирует эвтрофирование. Применение этого способа пока ограничивается единичными опытами, в которых увеличивали про-точность путем введения в озера вод из других источников. Таким образом можно снизить концентрацию основных питательных веществ или уменьшить содержание одного из компонентов до экологического минимума, а также увеличить биосток, т. е. скорость удаления из озера планктонных водорослей.
Удаление питательных веществ, накопленных в отложениях, эффективно только при ликвидации всех отложений в случае содержания в них больших запасов фосфора.
Для устранения цветения и зарастания применяют обработку водоемов сульфатом меди, выкашивание прибрежной растительности и ее механическое удаление. Эти мероприятия могут привести к уменьшению запасов биогенных веществ в водоеме, только если отмершие водоросли и укосы высшей водной растительности будут извлечены и увезены за пределы водосбора.
Заслуживают внимания воздействия на процессы обмена веществами между донными отложениями и водой. Известно, что обмен между грунтом и водой регулируется окислительно-восстановительными условиями по обе стороны зоны контакта. Для ликвидации бескислородной области, обогащенной продуктами анаэробного
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
распада и биогенными веществами, успешно может применяться принудительная аэрация. Воздействие на антропогенное эвтрофи-рование и восстановление качества воды этим способом приобретает широкое распространение. Совершенствуются и становятся все более разнообразными технические решения этой задачи. Аэрация, как правило, осуществляется перемешиванием либо при помощи сжатого воздуха. Устранение дефицита кислорода в глубинных слоях задерживает выход фосфора из донных отложений.
Для замедления вторичного поступления фосфора в воду из донных отложений предлагалась его изоляция от воды путем нанесения на поверхность дна тонко раздробленных материалов: глины, вулканических пород и др. Однако широкого применения этот метод не нашел.
Биологические способы борьбы с цветением водоемов находятся в стадии разработки. Наиболее перспективной мерой борьбы с интенсивным развитием фитопланктона и прибрежной растительности является разведение в водоемах растительноядных рыб. В России проведены опыты по акклиматизации белого амура и толстолобика в пресноводных водоемах. Для аккумуляции биогенов можно использовать и прибрежные заросли макрофитов с последующим их удалением.
Таким образом, используя те или иные способы воздействия на водоемы, можно снизить первичную продукцию до оптимального уровня и при необходимости ускорить деструкционные процессы. Если прекращается чрезмерный сброс в водоемы питательных биогенных веществ, они обычно возвращаются в первоначальное состояние.
8.5. Деградация назем-Академик В. И. Данилов-Данильян ных экосистем(1996) говорил: «... человечество не изобрело ничего, что могло бы заменить биоту в качестве регулятора окружающей среды. Но за время своего существования оно уже уничтожило 70 % естественных экосистем, способных переработать все отходы... Подчерки-
ваю, уничтожение био- и экосистем - самый страшный знак близкой катастрофы». При рассмотрении влияния человека на наземные экосистемы прежде всего следует обратить внимание на деградацию почв, лесов, растительного и животного мира.
■ Почвы- ценнейшие природные ресурсы, возникшие под действием света, воздуха, влаги, растительных и животных организмов, деятельности человека на поверхностный слой земной коры. В результате бессистемного использования за всю историю цивилизации около 2 млрд га продуктивных земель превратились в пустыни: на заре земледелия они составляли около 4,5 млрд га, а сейчас их осталось около 2,5 млрд га. Угрожающе расширяет свои границы Сахара - величайшая пустыня мира. По официальным данным властей Сенегала, Мали, Нигера, Чада и Судана, темпы ежегодного продвижения края Сахары составляют от 1,5 до 10 м. За последние 60 лет она разрослась на 700 тыс. км2. А ведь в 3000 г. до н. э. территория Сахары представляла собой саванну с густой гидрографической сетью. Там, где еще не так давно процветало земледелие, песчаный покров достигает полуметровой толщины.
Все это можно объяснить поспешной ломкой традиционного земледелия и кочевого животноводства в развивающихся странах. Посевы монокультур привели к увеличению числа видов вредителей сельского хозяйства. Отрицательное воздействие оказывают водная эрозия и ливневые дожди, смывая плодородный слой. Негативные изменения почв часто являются результатом вторичного засоления при искусственном орошении.
Экологи подвергают критике эксплуатацию африканских почв с использованием современной техники и призывают к возрождению древних методов земледелия, объясняя это особым механическим составом этих почв и концентрацией микроорганизмов в верхнем слое, который разрушается современной техникой.
Зловещие симптомы деградации почвенно-растительного покрова проявляются сегодня в Латинской Америке, Южной Азии, Австралии, Казахстане, Поволжье и т. д. Площади пахотных
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
земель постоянно сокращаются из-за горнопромышленных разработок, расширения селитебных зон, промышленного и гидротехнического строительства. Во время пыльных бурь с каждого слоя пашни толщиной 1 см сносится до 30 кг/га азота, до 22 кг/га фосфора, более 30 кг/га калия. Огромный ущерб наносит загрязнение почв, связанное с загрязнением атмосферы и вод. Основные источники загрязнения - жилые дома и бытовые предприятия (больницы, столовые, гостиницы, магазины и т.д.), промышленные предприятия, теплоэнергетика, сельское хозяйство, транспорт. С 1870 по 1970 г. на земную поверхность осело 20 млрд т шлаков, 3 млрд т золы. Выбросы цинка и сурьмы составили по 0,6 млн т, кобальта - свыше 0,9 млн т, никеля -более 1 млн т, мышьяка - 1,5 млн т.
■ Лесапокрывают 34 % поверхности суши и играют уникальную роль в природе. Сокращение лесных массивов неизбежно ведет к изменению состава атмосферы, водного баланса, ландшафтов, уровня грунтовых вод, что, в свою очередь, влияет на плодородие почв и микроклимат.
Экономический потенциал лесных ресурсов связан с использованием древесины (в качестве топлива и строительных материалов, сырья для целлюлозно-бумажной промышленности и др.), а также другой лесной продукции (растений, ягод, грибов, смолы и др.) и животных. Исключительно велико значение лесных массивов в сохранении устойчивости природы в региональном и глобальном масштабе (поглощение). Леса - естественные местообитания
огромного числа диких видов растений и животных. В тропических лесах обитает 50 % всех видов живых организмов на Земле.
Велика роль лесов и как источника генетических ресурсов для сохранения биологического разнообразия организмов. Леса выполняют многие экологические функции: поддерживают состав атмосферы, накапливают и постепенно отдают воду, подпитывая реки, ручьи, подземные воды, предотвращают эрозию почв и наводнения, регулируют сток воды с гор и количество наносов в водоемах и многое другое.
Хищническая вырубка лесных массивов привела к трудно поправимым экологическим последствиям в странах Африки, Азии, Латинской Америки. На глазах «тают» леса Амазонии. Бичом амазонских джунглей являются и пожары (население использует огонь для расчистки участков земли под посевы): по данным Национального института космических исследований (США), в 1987 г. огонь уничтожил в Бразилии 20 млн га джунглей, в 1990 г. - 12 млн га. Спутники ежедневно фиксируют до 8,5 тысяч очагов пожаров. Дым от них препятствует воздушной и речной навигации. Если правительство Бразилии не примет чрезвычайных мер по охране лесов Амазонии, возможна экологическая катастрофа мирового масштаба. По некоторым оценкам, за 50 лет жизни одно дерево в тропическом лесу обеспечивает «экологический доход» в 196 250 долларов, а проданное как древесина оно стоит лишь 390 долларов.
Проблема охраны лесов остро стоит в Африке, так как топливом для домашних очагов там испокон веков служат дрова. В развивающихся странах ежегодно превращаются в дым 12 млн га леса. Так, в Индии сорок лет назад леса охватывали 22 % территории, сейчас на их долю приходится не более 10 %. Тревогой охвачены также экологи США, Западной Европы, России, Австралии и других стран. Опасными темпами сокращаются леса Сибири. Здесь ежегодно вырубается более 500 тыс. га леса. Ученые фиксируют изменение сибирского ландшафта: на месте вырубок начинается заболачивание местности. Поскольку вырубают прежде всего ценные сосновые, а иногда и кедровые, леса, повсеместно наблюдается обеднение леса этими породами. Под натиском человека леса отступают на всех континентах, практически во всех странах.
Наиболее серьезная глобальная экологическая и ресурсная проблема - уничтожение и деградация тропических лесов. Тропические леса - источник половины добываемой в мире древесины. Там же получают кофе, какао, специи, орехи, фрукты, латекс, смолы, красители, воск, танины, масла, но это лишь
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
часть продуктов, которые дают эти леса. Сырье для четверти всех медикаментов произрастает в дождевых тропических лесах: из них может быть получено 70 % перспективных лекарств против рака. Экологи опасаются, что деградация этих чрезвычайно разнообразных биомов может вызвать вымирание почти 1 млн видов растений и животных уже в XXI столетии. Это может привести в глобальному кризису биоразнообразия. Тропические леса имеют значение для сохранения стабильности в развитых странах, но еще большее значение они имеют для развивающихся стран. По прогнозам, около 1 млрд человек умрут от голода в течение следующих 30 лет, если не прекратится истребление тропических лесов. Первое срубленное дерево было началом цивилизации. Последнее дерево означало бы ее конец.
Леса гибнут не только вследствие пожаров или вырубки, их деградация идет повсеместно из-за кислотных дождей, поступающих в атмосферу, воду, почву. В Шварцвальде (Германия) отмечены массовые повреждения и заболевания хвойных пород деревьев, дубов, берез, рябины, бука и платанов. Большинство ученых считают, что причина повреждений - кислотные дожди и загрязнение воздуха. По оценкам 1984 г., три четверти деревьев в Германии получили различные повреждения (рис. 8.16).
Рис. 8.16. Повреждения деревьев в лесах Германии (по П.Ревелль, Ч.Ревелль, 1995)
Аналогичные повреждения деревьев обнаружены в США в горах Аризондо, в штатах Вермонт, Нью Гемпшир, Северная Каролина, в Чехии, Польше, Швеции и других странах.
Болезни лесов в разных регионах имеют общие черты. Во-первых, все описанные регионы были охвачены кислотными дождями. Во-вторых, в большинстве случаев поврежденные леса находятся на возвышенностях и значительную часть их окутывают облака, которые также могут иметь кислую реакцию (до рН=3,5). В третьих, из-за повышенной кислотности в высокогорных районах из почв легко вымываются кальций и магний. В четвертых, химический анализ показал, что в листьях больных деревьев серы на 10 % больше, чем в листьях здоровых. И, наконец, в воздухе в этих горных лесах было обнаружено высокое содержание озона, который может быть токсичным для деревьев. Появление озона на горных склонах оказалось неожиданностью. Возможно, это объясняется реакциями с углеводородами (терпенами), выделяемыми хвойными деревьями. На солнечном свету терпены могут вступать в реакции с диоксидом азота, в результате чего выделяется озон. Итак, комплекс факторов: кислотные дожди; большая высота над уровнем моря; облачный покров; повышение кислотности и изменение минерального состава почв; наличие серы в листве; содержание озона в атмосфере - могут привести к гибели лесов и, как следствие, к экологической катастрофе в северном полушарии. Но леса - возобновляемые природные ресурсы и при сохранении устойчивости лесных экосистем могли бы использоваться в течение длительного времени. Поэтому, как записано в документах Конференции ООН в Рио-де-Жанейро, назрела острая необходимость «принять достаточно решительные меры по сохранению многогранной роли и разнообразных функций всех видов лесов и лесных угодий на основе целостного и рационального подхода к устойчивому и экологически безопасному развитию лесного хозяйства».
Растительный и животный мирпланеты вместе с ее лесами, степями, реками, озерами, морями составляют гигантский суперорганизм. Поэтому, говоря о почвах и лесах, нельзя не коснуться растительного и животного мира. Многие виды растений и животных исчезают на наших глазах, некоторые из них человек даже не успел изучить.
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
В 1850-е годы выдающийся орнитолог А. Уилсон наблюдал, как стая странствующих голубей на четыре часа закрыла небо. Он подсчитал, что численность стаи превышала 2 млрд птиц, длина ее составила 240 миль, а ширина - 1 милю. В 1914 г. в зоопарке Цинциннати умерла последняя известная на Земле самка странствующего голубя - Марта, названная в честь Марты Вашингтон. Основными причинами вымирания этого вида стали неконтролируемая промысловая охота, утрата мест обитания и источников пищи при уничтожении лесов под фермы и города.
Виды исчезают не только в результате их истребления, но и вследствие уничтожения природных экосистем, в которых они обитают. Каждый исчезнувший вид растений может унести с собой пять видов насекомых или других беспозвоночных животных.
Вымирание - естественный процесс, но с появлением сельского хозяйства около 10 тыс. лет назад скорость исчезновения видов резко возросла. По приблизительным оценкам, в период с 8000 г. до н. э. по 1975 г. средняя скорость исчезновения млекопитающих и птиц возросла в 1000 раз и составила несколько сотен видов в год, а после 2000 г. составит десятки тысяч в год.
Такое исчезновение не может быть компенсировано видообразованием, так как для развития нового вида нужно от 2 000 до 100 000 поколений. По прогнозам ученых, уничтожение влажных тропических лесов может привести к исчезновению от 2 до 5 млн видов животных. И это при общем числе живущих на Земле около 10 млн видов!
В 1966 г. Международный союз охраны природы (более чем 100 стран) начал издавать Красную книгу. Еще в конце 80-х гг. в печальном списке растений и животных, находящихся под угрозой исчезновения, значились 768 видов позвоночных, 264 вида птиц, 250 видов растений. Сейчас в этом списке 4 600 видов. В Красную книгу занесены лемуры, орангутанги, гориллы, белый журавль, кондор, морские черепахи, носороги, слоны, тигры, гепарды, синий кит, большая панда, медведь гризли, белый медведь, обыкновенный волк, американский бизон и многие другие.
Особенно хищнически истребляются промысловые животные: осетровые рыбы, морские котики, носороги, слоны, леопарды и многие другие. Если 20 лет назад в Африке обитало 60 тыс. носорогов, то сегодня их осталось не более 2 тыс. Поголовье слонов с 1990 г. сократилось в 4 раза.
Следует учитывать, что ряд видов обладает природными особенностями, которые способствуют их исчезновению: медленная скорость размножения, крупный размер, особые районы обитания или размножения, особые привычки питания, строго установленные пути миграции, определенный тип поведения.
растений и животных, существующих на Земле, - это не только условие сохранения систем жизнеобеспечения человека, но и сложнейшая нравственная проблема. С ростом населения мы увеличиваем использование природных ресурсов, земель и воды для себя в ущерб всем другим живым существам. Не случайно большинство стран на Конференции ООН в 1992 г. подписали Конвенцию по сохранению биологического разнообразия, в рамках которой государства, обладая суверенным правом эксплуатировать биологические ресурсы своей территории, принимают на себя ответственность за сохранение их разнообразия. Это обусловлено как необходимостью сохранения целостности природных экосистем, так и тем, что растения, животные и микроорганизмы являются носителями генетического ресурса планеты. Биоразнообразие - основа функционирования экосистем, от которой зависит существование всех живых организмов, будущее эволюции и генной инженерии. Каждая страна должна разработать национальную стратегию охраны биологического разнообразия и регулярно представлять в ООН доклады о состоянии работ в этом направлении.
Охрана и защита отдельных видов растений и животных от вымирания недостаточно эффективна. Из-за нехватки средств и квалифицированного персонала только некоторые виды могут быть спасены при помощи соглашений, законов, заповедников и зоопарков. Например, содержание 700 уссурийских тигров в
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
зоопарках мира обходится почти в 2,5 млн долларов в год. Животные там вымирают и из-за узкородственного размножения. Поэтому специалисты должны решать, какие виды следует сохранить. Предпочтение отдают обычно тем видам, которые имеют большую вероятность выживания, наибольшую экологическую значимость для экосистемы и могут быть полезны для сельского хозяйства, медицины, промышленности. Но большинство биологов считают, что лучшим подходом является экосистемный подход.
Экосистемный подход- это учреждение и поддержание всемирной системы резерватов и охраняемых территорий, которые должны охватывать не менее 10 % суши (сейчас они занимают около "3 % суши). Основная цель такого подхода - охрана и регулирование экосистем в целом, а не конкретных видов, как это практикуется в настоящее время при видовом подходе к охране диких животных. Экосистемный подход дешевле, чем охрана и регулирование численности отдельных видов. Резерваты станут местами обитания растений и животных, находящихся сейчас в ботанических садах, зоопарках и прочих неестественных условиях обитания. Кроме того, их можно использовать для исследовательских и образовательных целей.
В заключение напомним, что существуют разные точки зрения на охрану природы. Многие до сих пор придерживаются антропоцентрическоговзгляда на мир, т. е. считают, что природу надо охранять только из-за ее реальной или потенциальной пользы для людей. Другие имеют биоцентрическоемировоззрение и убеждены, что человек в биосфере не более важен, чем прочие виды. Поэтому недостойно и преступно ускорять уничтожение других видов в угоду себе. В последнее время все больше завоевывает признание экоцентрическийвзгляд на охрану природы, сторонники которого считают, что оправданы только те действия, которые направлены на поддержание природных экосистем в целом - систем жизнеобеспечения Земли.
В данной главе мы рассмотрели лишь основные экологические проблемы, касающиеся всех стран и народов, т. е. пробле-
мы глобального масштаба. Охрана природной среды не затрагивалась в полном объеме - это предмет дисциплины «Охрана окружающей среды», которая входит в программу профессионального обучения. Во второй части учебника освещаются лишь некоторые вопросы прикладной экологии.
Контрольные вопросы
1. Какие тенденции имеет рост численности населения Земли?
2. Как влияет рост населения на окружающую природную среду?
3. Какими мерами можно стабилизировать численность населения планеты?
4. В каких странах прирост населения больше?
5. Какие виды ископаемого топлива вам известны?
6. В чем преимущества и недостатки ядерной энергетики?
7. Какие альтернативные источники энергии вы знаете?
8. Чем объясняется «парниковый эффект» и каковы его последствия?
9. Почему истощается озоновый слой Земли?
10. Какие факторы влияют на образование и разрушение озонового экрана Земли?
11. Чем вызваны кислотные дожди?
12. Из каких источников попадают в атмосферу оксиды серы и азота?
13. Каковы особенности загрязнения пресноводных и морских экосистем?
14. В чем сущность процесса антропогенного эвтрофирования водоемов?
15. Каковы последствия антропогенного эвтрофирования?
16. Как можно предотвратить эвтрофирование?
Глава 8. Глобальные экологические проблемы
17. Каковы основные причины деградации почв?
18. Какова роль лесов на планете?
19. Почему погибают леса?
20. В чем причина снижения биоразнообразия в биосфере? Каковы последствия?
21. Почему сохранение природных экосистем - главное условие сохранения жизни на Земле?
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
9.1. СостояниеЧеловек - лишь незначительная часть биосфе-
биосферы иры. На протяжении тысячелетий он стремился
болезнине столько приспособиться к природной среде, сколько сделать ее удобной для своего существования. Только теперь люди осознали, что, подчиняя себе природу, они опасно изменяют условия обитания всех живых существ, включая самих себя. Химические, физические, биологические и другие виды загрязнений оказывают вредное влияние прежде всего на организм человека.
На здоровье влияет множество экологических факторов: болезнетворные микроорганизмы, загрязнение воздуха, воды, почвы, питание, погода, другие условия окружающего мира.
В Охрана здоровья людей- проблема, которая приобрела глобальный характер раньше других экологических проблем. Еще в эпоху средневековья и раннего капитализма распространялись грозные
эпидемии(rp. epidemic: - повальная болезнь) и пандемии(rp. pandemos - всенародный), против которых национальные меры были малоэффективны-потребовались согласованные международные действия. В 1881 г. Луи Пастер открыл принцип действия вакцин, вырабатывающих невосприимчивость организмов к некоторым заразным болезням. В
1883 Г. И. И. Мечников создал теорию иммунитета(лат. immunitas -избавление, невосприимчивость). Однако до сих пор не удалось получить
эффективных вакцин против малярии, гриппа, стафилококков, венерических болезней, не говоря уже о раке и СПИДе.
Появились новые болезни. Есть факты, говорящие о том, что некоторые ядовитые выбросы в воздух и водоемы влияют на наследственность. Растет число новорожденных с генетическими отклонениями от нормы. Очень велика детская смертность (рис. 9.1).
Ежегодно появляются десятки тысяч химических соединений, действие которых на организмы неизвестно. По мнению многих ученых, уровень цивилизованности страны сегодня определяется не развитием техники, а продолжительностью жизни населения (рис. 9.2, 9.3). Чтобы не погибнуть, человечество должно принять срочные меры.
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Рис. 9.1. Детская смертность в разных странах мира, число детей, умерших до 1 года, на 100 тыс. родившихся (по Ю. Н. Гладких, С. Б. Лаврову, 1995)
Рис. 9.2. Средняя продолжительность жизни в разных странах (по Ю.Н.Гладких, С.Б.Лаврову, 1995)
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Рис. 9.3. Изменение продолжительности жизни населения России с 1961 по 1996 г.
Причины «средовых болезней»разнообразны. Основные факторы риска приведены в табл. 9.1.
Таблица 9.1 Удельный вес основных факторов риска
Статистика говорит, что 60-90 % наиболее грозных раковых заболеваний человека обусловлено факторами окружающей среды: загрязнением канцерогенами (лат. cancer - рак) воздуха, воды, товаров, строительных материалов; качеством питания и лекарств, табаком, наркотиками, алкоголем и т. д. Рак - общечеловеческая проблема: около 2,9 млн случаев ежегодно регистрируется в развитых странах и 3,0 млн - в развивающихся. Велика угроза здоровью со стороны бактериального и вирусного загрязнения воды и воздуха. Опасно влияние на здоровье разнообразных вредных веществ: ртути, кадмия, диоксинов, нитратов, пестицидов, асбеста и многих других. Страшно то, что воздействие большинства так называемых средовых загрязнителей отдельный человек почти не может контролировать. Примерами могут служить радон, асбест и другие строительные материалы, радиация, загрязнение воздуха при выработке электроэнергии и т. д.
Экологические факторы, влияющие на здоровье людей, условно можно подразделить на биологические, химические, физические и факторы добровольного риска. Рассмотрим основные из них.
9.2. БиологическиеВ окружающей человека природной сре-факторы рискаде обитает огромное число патогенных
(гр. pathos – страдание) микроорганизмов природного
родного и антропогенного происхождения, вызывающих различные болезни. Их можно отнести к основной группе биологических факторов, влияющих на здоровье людей.
□ Инфекционные заболеванияв современном мире характерны в первую очередь для слаборазвитых стран. Голод и лишения, несчастья и болезни - близнецы-братья. До недавнего времени в Азии, Африке и Латинской Америке были распространены практически забытые в развитых странах оспа, чума, холера, желтая лихорадка, малярия. Сегодня, благодаря успехам медицины и фармакологии, ситуация изменилась в лучшую сторону. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) взяла
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
на себя координацию всех мер, направленных на борьбу с болезнями. Свои достижения ВОЗ демонстрирует так: в приемной генерального директора висит плакат - «Оспы в мире больше нет». И это правда!
Но остаются малярия, корь, столбняк, дифтерия, туберкулез, полиомиелит, проказа, чума, шистозоматоз (переносчики - моллюски), сонная болезнь (переносчик - муха цеце), лептоспироз (водяная лихорадка) и др. В конце 80-х гг. около 270 млн жителей Земли болели малярией, 200 млн - шистозоматозом, 12 млн - проказой и т.д. Основная зона этих болезней - тропическая Африка. Но болезни не знают границ. Ежегодно в мире регистрируется 500 - 600 случаев чумы. В природе чума циркулирует среди более 260 видов грызунов и мелких хищников, поэтому о ее ликвидации говорить пока трудно.
Рис. 9.4. Заболеваемость туберкулезом в России, число случаев на 100 тыс. детей и подростков (Аналитический ежегодник, 1999) |
Рост инфекционных заболеваний является индикатором социально-экономического неблагополучия страны и отдельных регионов. Туберкулез относится к числу типичных социальных болезней. В России после длительного медленного снижения заболеваемости туберкулезом началось резкое ухудшение эпидемиологической ситуации (рис. 9.4)
Динамика заболеваемости кишечными инфекциями в России показана на рис. 9.5.
Рис. 9.5. Динамика заболеваемости (число заболеваний на 100 тыс. жителей) кишечными инфекциями в РФ; ОКИ - острые кишечные инфекции (Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды, 1995)
В нашей стране встречается также лептоспироз, возбудитель которого переносится обыкновенными мышами-полевками. Во многих странах серьезная проблема - гепатит, несмотря на то, что ВОЗ разработала стратегию борьбы с этим заболеванием и активно помогает внедрению технологии получения вакцины в десятках стран. Наиболее массовой инфекцией остается грипп.
■ «Чума» XX века- синдром приобретенного иммунодефицита - СПИД. Страх перед этой болезнью не исчезает, а данное ей название «чума XX века» не утрачивает зловещей актуальности.
В 1990 г. эпидемия СПИДа охватила 156 стран, расположенных на всех континентах. Общее число больных, по мнению экспертов ВОЗ, составляло 600 тыс. человек, в 1997 г. называлась цифра более 1,7 млн человек, сейчас в мире зарегистриро-
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
вано 30 млн человек. Около половины больных - в Америке, затем идут Африка, Европа, Азия, Австралия. После 2000 г. ожидается около 40 млн носителей вируса СПИДа. Эта болезнь поражает иммунную систему человека, делает ее неспособной сопротивляться смертоносному вирусу. По литературным данным, основные ее симптомы таковы: 1) увеличение лимфатических узлов; 2) длительное беспричинное повышение температуры - от 37 до 39 °С; 3) прогрессирующая потеря веса; 4) частые гнойные поражения; 5) длительное расстройство стула. Главными распространителями СПИДа являются наркоманы, гомосексуалисты и проститутки. По данным П. Ревелль и Ч. Ревелль (1995), в Нью-Йорке почти каждый четвертый житель в возрасте от 25 до 44 лет заражен этой болезнью. СПИД отличается от других болезней тем, что в его распространении решающую роль играет нравственное и духовное состояние общества. Социальные пороки общества служат благодатной почвой для распространения СПИДа. В России зарегистрировано 350 000 больных СПИДом.
По данным Комитета по здравоохранению, только в Санкт-Петербурге в 1998 г. было зарегистрировано 450 ВИЧ-больных. Для сравнения: в Калининграде - 2 000, в Нижнем Новгороде - 1 000, в Краснодаре и Сочи около 1 500. По оценочным данным, в Санкт-Петербурге проживает около 6 000 зараженных ВИЧ. Средний возраст ВИЧ-инфицированных - 23 года.
В настоящее время во многих странах мира действуют общенациональные программы борьбы со СПИДом; в нашей стране такая программа только создается. Она обязательно должна включать нравственное воспитание молодежи, пропаганду здорового образа жизни и разъяснительную профилактическую работу в школе и среди всего населения.
Создание вакцины против СПИДа осложняется отсутствием живой модели, т. е. животных, обладающих иммунной системой, сходной с иммунной системой человека. Даже если ученым будет сопутствовать удача и вакцина будет найдена, для победы над зловещей болезнью потребуется еще много времени.
9.3. ХимическиеПоследствия химических загрязнений био факторысферы для человека зависят от их природы, концентраций и времени действия. Реакция организма на загрязнения зависит от возраста, пола, состояния здоровья. Наиболее уязвимы дети, пожилые и больные люди. При систематическом поступлении в организм даже небольших количеств токсичных веществ могут наступать хронические отравления, признаками которых являются нейропсихические отклонения, утомление, сонливость или бессонница, апатия, ослабление внимания, забывчивость, колебания настроения и др. Сходные признаки наблюдаются и при радиоактивном загрязнении среды, превышающем нормы. Высокотоксичные соединения часто приводят к хроническим заболеваниям различных органов и нервной системы; действуют на внутриутробное развитие плода, вызывая различные отклонения у новорожденных. Медики устанавливают прямую связь между ростом числа больных аллергией, бронхиальной астмой, раком и ухудшением экологической обстановки в регионе.
Канцерогенывызывают особую озабоченность людей. Установлено, что многие вещества (хром, никель, бериллий, бенз(а)пи-рен, асбест, табак и др.) являются канцерогенными. Еще в прошлом веке рак был почти неизвестен у детей, сейчас он встречается среди них довольно часто. В США наибольшее число заболеваний раком легких приписывается курению, а наименьшее - работе в некоторых отраслях промышленности. Пища, воздух и вода также могут содержать токсичные и канцерогенные вещества, представляющие опасность для человека. Примерная доля заболеваний раком в мире от разных причин приведена в табл. 9.2.
Интересно, что процент заболеваний той или иной формой рака различен в разных регионах и разных группах населения. На северо-востоке США высока доля раковых заболеваний ротовой полости, горла, пищевода, гортани и мочевого пузыря, но преиму-ществено у мужчин. Очевидно, это связано с высокой концентрацией химических производств, на которых работают в основном мужчины. В районе Линьсянь в Китае встречается рак пищевода, в
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Японии обычен рак желудка, рак печени - проблема Африки и юго-восточной Азии (но редко встречается в других частях мира). Поэтому можно предполагать, что рак вызывается сочетанием каких-то условий окружающей среды в разных районах.
Таблица 9.2 Заболевания раком от разных причин (по данным П. Ревелль, Ч. Ревелль, 1995)
Многие канцерогены могут вызывать необратимые изменения
В генах, называемые мутацией (лат. mutatio - изменение, перемена).
Сегодня отсутствуют надежные способы для испытания 9000 производимых в настоящее время синтетических веществ, число которых ежегодно увеличивается на 500 - 1000. В США, например, по данным Национального института профессиональной безопасности и здоровья, каждый четвертый рабочий, т. е. почти 22 млн человек, может подвергаться действию токсичных веществ: ртути, свинца, пестицидов, асбеста, хрома, мышьяка, хлороформа и др. Не составляют исключения и служащие, которые подвергаются воздействию вредных веществ в воздухе, так же как и семьи рабочих, контактирующих с этими веществами через рабочую одежду.
В России заболеваемость всеми формами рака постоянно растет, особено в Северном и Дальневосточном экономических районах (рис. 9.6).
Рис.9.6. Динамика заболеваемости всеми формами рака в России, число случаев на 100 тыс. населения (Аналитический ежегодник, 1999)
- группа хлорсодержащих органических веществ, которую в последние годы считают наиболее экологически опасной. В группу диоксиноподобных соединений входят суперэко-токсиканты - универсальные клеточные яды, поражающие все живое. Пик выброса диоксинов пришелся на 60 - 70-е гг. Диоксины не производятся промышленно, они образуются при производстве других химических веществ - синтезе гексахлорфенолов, гербицидов и др. Источниками диоксинов являются также сточные воды предприятий целлюлозно-бумажной, металлообрабатывающей, электронной, радиопромышленности и др., использующих для обезжиривания хлорорганические растворители. Кроме того, диоксины попадают в атмосферу с выхлопными газами автомобилей, при хлорировании питьевой воды, горении «техногенной» древесины, сжигании галогенсодержащих и бытовых отходов и т. д. Загрязнение среды возникает и при промышленных авариях. Наиболее известна авария в городе Севезово (Италия) в 1976 г. с большим выбросом диоксинов в результате нарушения правил захоронения отходов. Исследователи Миланского университета наблюдали 37000 жителей этого города -среди них был зарегистрирован 891 случай рака.
В 1968 г. в Японии, а в 1979 г. на Тайване были отмечены массовые пищевые отравления рисовым маслом, загрязненным диоксинами. Пострадало более 4000 человек; в печени было выявлено высокое содержание диоксинов (болезнь Юшо-Ю-Ченг).
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Диоксины способны влиять на репродуктивную систему. V рабочих, занятых в производстве хлорфенолоксигербицидов, отмечается импотенция, а у их жен - повышенная частота выкидышей.
Сегодня мы еще не представляем реальных масштабов диоксино-вой опасности. В 1994 г. в России разработана и представлена в Правительство РФ целевая программа «Защита окружающей природной среды и населения от диоксинов и диоксиноподобных токсикантов». Первый этап программы направлен на создание нормативно-правовой базы, формирование сети аналитических центров по контролю за содержанием диоксинов, разработку рекомендаций по локализации и снижению поступления этих токсикантов от известных источников, а также на меры по реабилитации территорий и населения в наиболее диоксиноопасных регионах России. Кроме того, разработаны технологии по удалению диоксинов из воды на основе сорбции на гранулированных активных углях, которые уже используются на водопроводах Уфы и Москвы.
Продукты питания и лекарственные препаратымогут содержать вещества, оказывающие вредное воздействие на здоровье людей. До 40 % смертей от рака можно связать с питанием или приготовлением пищи. Даже обжаривание мяса может приводить к образованию канцерогенных веществ. Излишний жир иногда стимулирует выработку гормонов, способствующих возникновению рака молочной железы. Избыточное потребление соли может приводить к появлению гипертонии, избыток сахара -к порче зубов и т. д. Добавки и загрязнения, присутствующие в продуктах, медикаментах и косметических товарах, способны также вызывать различные заболевания. Американцы, например, потребляют около 68 кг пищевых добавок в год на душу населения, большую часть из которых составляют соль, сахар и его заменители. Приблизительно 4 кг приходится на горчицу, перец, пекарный порошок, дрожжи, казеин, карамель и 0,5 кг - на 2000 других добавок, используемых для окрашивания, консервации и улучшения вкуса продуктов.
В медикаменты тоже вводят примеси для маскировки горечи или иного неприятного вкуса. Красители и ароматизаторы используются также для замены дорогих натуральных компонентов. Например, вместо натурального сока в ароматизированные безалкогольные напитки часто добавляется заменитель. Фактически целые группы продуктов, в том числе и диетических, вероятно, не могли бы существовать без добавок, которые придают им приятный вкус, цвет и способность долго сохраняться. Но как бы аргументировано не обосновывалось применение добавок, необходима уверенность в том, что они безвредны. В США было испытано около 450 химических добавок, 80 % из которых были объявлены безвредными, 14 % - вероятно безвредными и около 5 % - сомнительными. В 1978 г. центр «Наука в интересах общества» (США) опубликовал перечень пищевых добавок с оценкой их безопасности.
Споры вызывают и синтетические заменители сладких веществ. В США в 1976 г. было продано 2,27 млн кг сахарина. Но сахарин, как и другие заменители сахара, может вызывать рак мочевого пузыря у крыс. Подозрения на канцерогенность сахарина привели, с одной стороны, к запрету его использования в некоторых продуктах, а с другой - к многочисленным протестам против его запрета. Люди считали, что если имеется какой-то риск, то они хотели бы об этом знать, а затем сами решать, как поступать. В США уступили давлению и разрешили продавать сахарин, но с предупреждением о его «умеренной» канцерогенности, а в Канаде с 1977 г. он запрещен в пищевых продуктах.
Использование пищевых красителей также возможно только в соответствии с утвержденными списками. В качестве консервантов мяса и рыбы обычно применяют нитраты N03 и нитриты N02. Они предотвращают рост бактерий, вызывающих пищевые отравления (например, ботулизм); придают мясу характерную розовую окраску и особый вкус, к которому люди привыкли. Много нитратов поступает в организм с овощами. Нитраты и
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
нитриты не безвредные соединения. Нитриты, например, реагируя с гемоглобином, превращают его в метгемоглобин, не способный переносить кислород. При инактивации 70 % гемоглобина в крови наступает смерть. Поэтому устанавливается предельное содержание нитритов в пищевых продуктах.
Но даже некоторые витамины (особенно А и Д) при передозировках могут накапливаться в организме до токсических уровней. Съедобные природные продукты (грибы, некоторые растения; плесневые грибки, появляющиеся в крупах, орехах, кукурузе, пшенице и др.) могут синтезировать для своей защиты токсические вещества, многие из которых обладают канцерогенным, тератогенным (гр. teras - уродство, genos - происхождение) и мутагенным действием.
В 1982 г. Комитет по питанию и раку США дал следующие рекомендации по питанию: 1) уменьшить количество жиров в среднем рационе на 30 %; 2) включать в рацион овощи, фрукты, крупяные продукты, особенно богатые витамином С (цитрусовые) и В-каротином (желто-оранжевые листовые овощи и капусту); 3) употребление консервированных продуктов, солений, овощей свести к минимуму; 4) спиртное употреблять только в «меру» (особенно курильщикам) из-за угрозы рака, цирроза печени, гипертонии и тяжелых последствий для новорожденных детей.
9.4. ФизическиеФизические экологические факторы влия- факторыют на здоровье человека не меньше, чем химические соединения. К физическим воздействиям относятся различные излучения, шумы, климатические погодные условия и др. Большинство физических факторов внешней среды, с которыми взаимодействует человек, имеют электромагнитную природу. Электромагнитный спектр включает много видов излучений: от длинноволновых (при работе электрогенераторов) до микроволновых (рентгеновских, космических и др.). Световые волны - лишь малая часть их (рис. 9.7).
Рис. 9.7. Полная шкала электромагнитных волн: ЧМ - частотная модуляция; ТВ - телевидение; УФ - ультрафиолетовые лучи (по П. Ревелль, Ч. Ревелль, 1995)
Влияние лучей на здоровье зависит от длины их волны. Когда говорят об «облучении» (радиационном поражении), имеют в виду воздействие коротких волн. Эти типы излучений известны как ионизирующая радиация. Воздействие длинных волн (от ближних ультрафиолетовых до радиоволн) называют неионизирующим излучением. Эти два типа излучений по-разному влияют на здоровье людей.
Ионизирующее излучениесостоит из рентгеновских лучей, гамма-лучей и космических лучей. Эти виды лучей обладают энергией, достаточной для превращения атомов в ионы с высвобождением электронов. Воздействием этих ионов и обусловлены изменения в клетках организма. Распад ядер радиоактивных элементов также порождает ионизирующее излучение, состоящее из альфа-, бета- и гамма-лучей. Наиболее опасно гамма-излучение, так как оно проходит через несколько сантиметров свинцовой защиты. Опасность рентгеновских лучей возрастает на больших высотах. Поэтому работа космонавтов может быть приравнена к работе с радиоактивным излучением.
Люди подвергаются действию ионизирующих излучений при рентгене, радиоактивном распаде элементов и из космоса. Доза облучения чаще всего измеряется в бэрах (по биологическому воздействию 1 бэр эквивалентен дозе в 1 рентген).
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Если исключить воздействие источников, созданных человеком, то уровень излучения будет соответствовать естественному радиационному фону. Естественный фон в США равен 100 -150 миллибэр (мбэр) в год. На высоте более 3,0 км фоновые излучения достигают 160 мбэр. Средняя доза, получаемая при рентгене, оценивается в 90 мбэр в год.
На заре использования атомной энергии нормативы эмиссии радиоактивных элементов были таковы: в окрестностях АЭС - не более 500 мбэр/год на 1 чел., а в отдаленных районах - не более 170 мбэр/год. После 70-х гг. эти нормативы были резко ужесточены: наибольшая допустимая годовая доза уменьшена до 5 мбэр, а средняя - до 1 % от природного фона, т. е. до 1-1,5 мбэр/год. Если нормативы выполняются, то атомные станции не опасны для людей. Но остаются вызывающие опасения излучения от установок регенерации атомного топлива и отбракованной урановой руды. Большую тревогу вызывает и возможность захвата террористами отработанного атомного топлива или других расщепляемых материалов.
Кроме того, некоторые радиоактивные элементы могут аккумулироваться в пищевых цепях. Так, например, в сигах концентрация фосфора-32 была в 5 тыс. раз выше, чем в воде; в окунях - в 20 - 30 тыс. раз больше, а в некоторых водорослях -в 100 тыс. раз (в реке Колумбия ниже атомной электростанции). Известны случаи накопления цинка-65 в моллюсках, иода-131 в миноге, стронция-90 в судаке и т. д. Население может получать эти элементы с пищей. Однако их воздействие при попадании в организм с пищей недостаточно изучено, чтобы оценить опасность.
Как показано на рис. 9.8, около половины всех излучений поступает от природных источников. Одну треть в этом естественном фоне составляют космические лучи, вторую треть -природные радиоактивные элементы в почвах и горных породах, оставшаяся треть приходится на радиоактивные элементы (калий-40 и др.), присутствующие в организме человека. Грунтовая
вода и природный газ могут содержать радон. Некоторые стройматериалы (камень, фосфогипс и др.) также могут быть источником излучений.
Рис. 9.8. Дозы ионизирующих излучений, поступающих от природных и антропогенных источников, млн чел.-бэр/год (по П. Ревелль, Ч. Ревелль, 1995)
Из антропогенных источников излучений наибольшая доля принадлежит радиоактивным выбросам, рентгеновским процедурам и радиоактивным медикаментам. При путешествии на самолете увеличиваются дозы облучения космическими лучами. Табачный дым также содержит радиоактивные частицы. Значительная доля излучений приходится на радиоактивные осадки. Серьезную опасность представляют отходы урановых рудников, так как иногда радиация от них в 500 раз превышает природный фон.
В табл. 9.3 приводятся данные о среднесуточных выбросах в атмосферу инертных радиоактивных газов (ИРГ), долгоживущих радионуклидов (ДЖН) и иода-131 в % по отношению к допустимым выбросам (ДВ), а в табл. 9.4 - о сбросах радиоактивных веществ в водоемы от АЭС России (Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды РФ, 1995).
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Таблица 9.3 |
Среднесуточные радиоактивные выбросы в атмосферу от АЭС России в 1994 г. |
Последствия облучения для здоровья людей можно разделить на две категории: 1) острые симптомы после интенсивной кратковременной экспозиции, возможной в аварийных ситуациях и во время атомной войны; 2) последствия длительного облучения малыми дозами, которые выявляются спустя годы. Ионизирующее излучение может вызывать рак молочной и щитовидной желез, легких, желудочно-кишечного тракта, костей, лейкоз, лучевую болезнь. Помимо рака, последствиями излучения могут быть генетические повреждения, т. е. мутации, которые передаются буду-
щим поколениям. Для профессионального риска установлен предел 5 бэр в год, а для населения - 1 бэр в год, т.е. 1 % от природного радиационного фона. Но и природные фоновые излучения, по некоторым оценкам, могут вызывать до 2 % генетических болезней.
Неионизирующие излучения- радиоволны, волны от работы электрогенераторов и линий электропередачи и др. -могут вызывать тепловое повреждение тканей, разрушать клетки и провоцировать рак. Пока нет данных о влиянии на людей доз излучений, полученных от радиопередатчиков и высоковольтных линий. Но имеются опасения, что рабочие, постоянно подвергающиеся их действию, рискуют своим здоровьем. К сожалению, в последние годы на всей территории России фактически прекратились исследования биологического действия электромагнитных полей, создаваемых линиями электропередачи, радиотелевизионными средствами связи, радиолокаторами и другими объектами. Отсутствуют эколого-гигиенические нормативы для защиты окружающей среды от возможного вредного действия этих полей. Имеется лишь план работ Минприроды РФ по выработке единой системы нормативных значений предельно допустимых уровней воздействий неионизирующих лучей.
Итак, в результате внутреннего и внешнего облучения человек в течение года в среднем получает дозу 0,1 бэр, т. е. в течение жизни - около 7 бэр. В этих дозах облучение не приносит вреда. Однако есть такие районы, где даже природный фон выше средней дозы за счет естественных радиоактивных источников. Так, в Бразилии (200 км от Сан-Паулу) есть возвышенность, где естественная годовая доза составляет 25 бэр.
Наибольшую же опасность, конечно, представляют антропогенные источники загрязнений. Например, в 1994 г. было проведено радиационное обследование в 28 городах России: выявлено 554 случая радиоактивного загрязнения в 16 городах (Москва, Санкт-Петербург, Братск, Волгоград, Нижний Тагил, Новосибирск, Новочеркасск, Самара, Череповец и др.). Большинство
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
участков характеризуются гамма-излучением от десятков мкР/ч до десятков мР/ч. В Череповце обнаружен участок с 2 мР/ч, а в Санкт-Петербурге - 40 мР/ч. Загрязнение обусловлено, в основном, несанкционированно хранимыми или захороненными радиоактивными отходами (радий-226, цезий-137 и др.), технологическими отходами производств, содержащими радионуклиды и строительными материалами. Здания с концентрациями радона в воздухе, превышающими нормы, выявлены в Санкт-Петербурге, Новосибирске, Иркутске, Байкальске. Неблагополучная обстановка по радону установлена в Ленинградской, Свердловской, Челябинской, Оренбургской, Новосибирской, Иркутской областях, в Забайкалье и на Дальнем Востоке.
Влияние шумов и звуковтакже небезразлично для здоровья человека. Звуком называют механические колебания, воспринимаемые слуховым аппаратом человека - от 16 до 20000 колебаний в секунду. Колебания большей частоты называют ультразвуком, а меньшей - инфразвуком. Громкие звуки называют шумом. Звуки и шумы большой мощности, поражающие слуховой аппарат, нервные центры и вызывающие болевые ощущения и шок, являются шумовыми загрязнениями. Длительное шумовое загрязнение может приводить к расстройству сердечной деятельности, нарушениям функций печени, истощению и перенапряжению нервной системы. Естественный шумовой фон (10-30 дБ) практически безвреден и даже приятен для человека (шелест листвы, журчание ручья, шум прибоя и др.). Допустимая граница громких звуков составляет примерно 80 дБ, 130 дБ вызывают болевые ощущения, а 150 дБ непереносимы. В средние века существовала казнь «под колоколом», гул которого мучил и медленно убивал человека. Сила звука от различных источников показана на рис. 9.9.
Наиболее часто вредное воздействие оказывают промышленные шумы. Но и бытовая техника все чаще становится источником шумового загрязнения. Очень шумная современная музыка притупляет слух, повышает давление и вызывает нервные заболевания. Шум
обладает аккумулирующим эффектом, т. е. акустические раздражения накапливаются в организме и постепенно угнетают нервную систему. Y людей, работающих в шумных условиях, часто встречаются нервно-психические заболевания. Однако абсолютная тишина тоже может угнетать человека.
Рис. 9.9. Интенсивность звука (в дБ) от различных источников
Инфразвуки, не воспринимаемые слухом человека, влияют на психику: угнетается интеллектуальная деятельность, ухудшается настроение, появляется ощущение тревоги, испуга, страха, а при высокой интенсивности - чувство слабости. Ультразвуки, занимающие заметное место в производственных шумах, также опасны, особенно для нервной системы. Организм человека практически беззащитен против шума, инфра- и ультразвука, так как их действие незаметно. По данным Минтранса РФ, шумовое воздействие автотранспорта в городах страны превышает допустимые нормы иногда на 30 дБ. Численность населения, проживающего в условиях шумового дискомфорта, составляет 35 млн человек, т. е. около 30 % городского населения. Воздействию авиационного шума подвержено еще 3-4 % населения городов. При взлете самолетов типа ИЛ-76, ИЛ-86 шум с уровнем 75 дБ может фиксироваться на расстоянии 40 - 50 км от аэропорта.
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Замена «шумных» самолетов необходима и по причине жестких международных требований к уровню шума в зарубежных аэропортах.
Не только шумы, но и другие воздействия, связанные с ростом урбанизации, в той или иной мере сказываются на развитии, психике и здоровье человека. От условий жизни (высоты потолков, звуконепроницаемости стен, транспорта, повседневного общения с множеством людей и др.) во многом зависят настроение, трудоспособность, активность человека. В больших городах, несмотря на наличие горячей воды, телефона и другой комфорт, обостряются жилищные и транспортные проблемы, повышается заболеваемость, возрастает переутомление. Ученые считают, что в начале XXI в. более половины населения земного шара будет жить в городах. Города «поглощают» леса, рощи, поля, луга, водоемы, болота; «покрывают» землю асфальтом - изменяют облик планеты. Поэтому горожанин все больше тянется на лоно природы. Природные экосистемы, их прохлада, гармония звуков и красок, многообразие приятных запахов успокаивают и оказывают сильный оздоровительный эффект. Вот почему надо стремиться превращать города в экосистемы, щадящие здоровье людей. Городской ландшафт не должен становиться каменной пустыней. Общая площадь зеленых насаждений в городе должна занимать больше половины его территории. Современный город следует рассматривать как экосистему, в которой гармонично сочетаются социально-экономические и экологические интересы человека. Следовательно, необходимы не только удобные квартиры, транспорт, развитая сфера услуг, но и благоприятная для здоровья среда обитания: чистые воздух и вода, радующий глаз ландшафт, зеленые уголки со всеми красотами природы. Каждый горожанин может внести свой вклад в улучшение экологических условий своего города хотя бы тем, что не будет мусорить, научится беречь зеленые насаждения и культурные ценности.
Природные ритмы и климатзаметно влияют на здоровье людей. Но лишь с середины XX в. люди стали связывать свою
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
работоспособность и эмоциональное состояние с такими природными явлениями, как активность Солнца, фазы Луны и природные ритмы.
Ритмыприсутствуют в любом явлении в биосфере: смена дня и ночи, зимы и лета, приливы и отливы и т. д. Ритмичность является свойством живой материи любого уровня - от молекулярного до экосистем. Ритмические процессы в организме называют биоритмами. К ним относятся ритм работы сердца, дыхания, активности мозга. В ходе эволюции человек приспособился к определенным ритмам Вселенной и выработал ритм своей жизни, который проявляется в постоянной смене покоя и активной деятельности. Центральное место занимают суточные ритмы. Изменения в суточных ритмах могут вызывать заболевания сердечно-сосудистой и нервной систем. Действие лекарственных препаратов также различно в зависимости от времени суток. Открытие этих явлений породило новые направления в медицине -хронодиагностику, хронотерапию, хронофармакологию и др.
Климатвоздействует на здоровье человека через погодные условия: атмосферное давление, влажность, ветер, концентрацию кислорода, возмущение магнитного поля. Специалисты в области экологической медицины считают, что отрицательные ионы в атмосфере благоприятны для здоровья людей, а положительные - наоборот, влияют отрицательно. Например, в воздухе после грозы много отрицательных ионов, так же как в воздухе около текущей воды. Поэтому такой воздух освежает и бодрит. А в тесных помещениях с обилием электромагнитных приборов воздух насыщен положительными ионами. В этих условиях у людей наблюдаются заторможенность, сонливость и головные боли. То же можно почувствовать в ветреную, пыльную и влажную погоду. Изменения погоды не одинаково влияют на самочувствие разных людей. Если здоровый человек своевременно «подстраивается» к изменившимся погодным условиям и практически их не ощущает, то у больного, у пожилых людей и детей приспособительные реакции ослаблены.
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Специфика среды обитания человека заключается в сложном переплетении природных, социально-экономических и психологических факторов. На заре человеческой истории природные факторы играли решающую роль в эволюции человека. В современных условиях человек нередко испытывает влияние (иногда чрезмерное) факторов среды, к которым эволюционно еще не готов. Жизнь любого организма можно рассматривать как постоянную адаптацию к новым природным и антропогенным условиям. Но способность к восстановлению физических и душевных сил не беспредельна. Приспосабливаясь к неблагоприятным экологическим условиям, организм испытывает вначале напряжение, а затем - утомление. Способность адаптироваться к новым условиям у людей различна. Выделяют два крайних адаптивных типа людей: спринтеры, которые характеризуются устойчивостью к воздействию кратковременных экстремальных факторов и плохой переносимостью длительных нагрузок, и стайеры, отличающиеся способностью переносить длительные монотонные нагрузки. Интересно, что среди уроженцев северных широт преобладают люди типа стайеров.
Изучение и развитие адаптивных возможностей человека, выработка соответствующих рекомендаций по профессиональной деятельности, особенно в сфере критических профессий (летчики, диспетчеры, шоферы, машинисты, шахтеры, ночной труд), имеют очень важное практическое значение для здоровья людей.
9.5. ДобровольныйПомимо факторов окружающей среды, рисквоздействие которых мало зависит от отдельного человека, существуют так называемые факторы добровольного риска, которым люди подвергают себя в процессе курения, употребления наркотиков и алкоголя.
□ Курение- вредная привычка, которая приводит к дополнительному загрязнению воздуха токсическими веществами. Количество курильщиков, выкуривающих ежегодно 5 триллионов сигарет, превысило в мире уже несколько миллиардов. По существу,
людей можно разделить на две группы: курящих и некурящих. Рассмотрим действие на организм лишь некоторых содержащихся в дыме веществ, которыми курильщики добровольно отравляют себя. Токсическое действие оказывают: оксид углерода, оксиды азота, цианистый водород, ацетальдегид, кадмий, мышьяк, свинец. Канцерогенами являются: формальдегид, гидразин, хлористый винил, уретан, альфа-нитропропан, хинолин, нитрозамины, бенз-(а)пирен, 5-метилхризен, полоний-210 (радиоактивный).
Оксид углеродаСО взаимодействует с гемоглобином крови, который связывает этот газ в 200 раз прочнее, чем кислород. Поэтому ткани тела получают значительно меньше кислорода. Y того, кто выкуривает пачку сигарет в день, 6 % гемоглобина связывается СО в карбоксигемоглобин. Прибавьте к этому оксид углерода, содержащийся в загрязненном воздухе (особенно крупных городов), и количество карбоксигемоглобина возрастает до 10 %, что серьезно увеличивает опасность смертельных сердечных приступов. Наличие в пище курильщика нитритов (даже в допустимых дозах) еще больше снижает содержание кислорода, превращая гемоглобин в метгемоглобин, не способный транспортировать кислород.
Никель, мышьяк, кадмий, свинецтакже попадают в легкие с дымом сигарет (мышьяк и свинец некоторое время использовались как пестициды при выращивании табака). Содержание свинца в сигарете составляет около 13 мкг. Выкуривая двадцать сигарет в день, человек вдыхает около 300 мкг свинца. Кроме того, свинец может содержаться в пище, воде и воздухе (тетраэтил-свинец - присадка к бензину). И свинец, и мышьяк, всасываясь в кровь, могут накапливаться и постепенно отравлять организм. В пачке сигарет содержится 30 - 40 мкг кадмия и 85 - 150 мкг никеля. Кадмий нарушает использование организмом кальция (болезни суставов), способствует повышению давления и вызывает болезни сердца.
Исследования Государственной компании страхования США в группах людей разного возраста показали, что смертность среди
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
курильщиков вдвое выше, чем среди некурящих того же возраста. Особенно часто подстерегают курильщиков скоропостижные смерти от сердечных приступов и кровоизлияний в мозг. Нередки у них и желудочно-кишечные язвы. Большой вред наносит курение беременным женщинам - у них рождаются мелкие дети, больше выкидышей и случаев мертворождения. Все это обусловлено недостатком кислорода в крови курящей матери. Влияние курения на здоровье человека показано на рис. 9.10.
Рис. 9.10. Зависимость возникновения некоторых заболеваний от числа выкуренных сигарет (по Е. А. Крискунову и др., 1995)
В первую очередь курение затрагивает легкие: это одна из главных причин эмфиземы и рака легких (85 % случаев). Курильщики часто болеют раком гортани, пищевода, ротовой полости, мочевого пузыря, почек, поджелудочной железы. В последние годы женщины чаще погибали от рака легких, чем от рака молочной железы. При «пассивном» курении (пребывании в сильно прокуренном помещении) некурящие люди за 1 час вдыхают столько никотина и оксида углерода, сколько они могли бы получить,
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
если бы сами выкурили одну сигарету. Оказалось также, что жены курящих мужчин чаще болеют раком легких, чем жены некурящих. Такой же опасности подвергаются дети.
Только в Китае сейчас 300 млн курильщиков; далее идут Индия, Россия, США и Бразилия. Самый курящий сегодня континент - Азия. Причин этому по крайней мере две: 1) низкий уровень жизни и 2) сбыт табачной продукции в бедные страны Западом и США, где наметилась тенденция к снижению числа курящих.
Жертвой «серого змия» все чаще становится подрастающее поколение. В Восточной Европе, Канаде, Египте доля курящих подростков превышает этот показатель среди взрослых. Среди курящих полинезийцев - половина дети. В Санкт-Петербурге каждый второй мальчик и каждая четвертая девочка после 10 лет пробовали курить.
Интересна зависимость между уровнем образования и числом курящих. Так, в США среди мужчин с начальным образованием курят 60 %, а с университетским - только 20 %. Близкое соотношение имеет место в странах Европы, Японии, России.
Методы борьбы с курением самые разнообразные. Так, в Англии на одном из заводов в Лейленде боролись с курящими путем повышения зарплаты некурящим. Через полгода почти половина курильщиков на заводе освободилась от своей привычки. А в индийской деревне Хундер любой житель, застигнутый с сигаретой, штрафуется на 50 рупий. Мера тоже оказалась эффективной. В Ирландии девушки-добровольцы дежурят на остановках общественного транспорта и предлагают банан в обмен на сигарету. Семь человек из десяти соглашаются на такой обмен.
Американские ученые выступают за полный запрет на работу на предприятиях электронной промышленности курильщикам, так как установлено, что микрочастицы, выдыхаемые ими, приводят к неполадкам в работе сверхчувствительных приборов.
Японцы создали прибор «никостоп», который с помощью электрических и звуковых импульсов воздействует на нервные
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
окончания в мочке уха и в течение нескольких недель может избавить человека от пагубной привычки. В Германии продаются пепельницы, при стряхивании пепла в которые раздается очень неприятный кашель.
В США, Австралии, Канаде, Швейцарии, Великобритании затраты в здравоохранении на меры против курения составляют 190 млрд долларов. Нашему курильщику выбраться из табачного омута тяжелей, чем на Западе и в США. Так стоит ли в него попадать? Так или иначе, борьба с курением в развитых странах начала приносить свои плоды. Наметились обнадеживающие тенденции. В США, например, в 1965 г. курили 51 % мужчин и 32 % женщин, в 1995 г. это количество уменьшилось до 30 % среди мужчин и до 28 % для женщин.
Наркоманиятакже входит в «букет» глобальных проблем человеческой цивилизации. Колумбийский писатель Габриэль Гар-сио Маркес, размышляя о наркомании в своей стране, писал: «Это какая-то таинственная неудержимая гидра, невидимая и вездесущая. Она проникает повсюду и отравляет все».
Опасность наркомании в мире долгие годы недооценивалась, а в нашей стране эта проблема просто замалчивалась. Одним из первых раскрыл масштабы трагедии в СССР писатель Чингиз Айтматов в романе «Плаха». Только теперь стали открыто говорить об этой грозной опасности. Наркомания сегодня приобрела общепланетарный характер и, к сожалению, стала молодеть. Спутниками наркомании являются СПИД и венерические болезни (рис. 9.11).
Образ жизни и портрет наркомана однотипны во всем мире. Начинается с, казалось бы, безобидной гашишевой сигареты, затем - кокаин, героин и другие наркотики, вводимые с помощью шприца. Зависимость столь велика, что наркоман отвергает нормальные для людей ценности. Зыбкий мир грез для него становится реальностью. Утрачиваются контакты с людьми, даже близкими, способность работать, критическое отношение к себе и т. д. Наркоман оказывается втянутым в
криминальный мир. Таким людям можно посочувствовать, так как накапливающиеся в тканях организма (в основном жировых) наркотики хранятся годы и препятствуют лечению. Наказание не приносит успеха. На Западе считают, что лечение наркоманов выгоднее, чем их увольнение и обучение новых рабочих. Поэтому главный девиз наркологических служб этих стран - «лечение вместо наказания».
Рис. 9.11. Заболеваемость подростков сифилисом и распространение наркомании в России, число зарегистрированных больных на 100 тыс. (Аналитический ежегодник, 1999)
Запрет на выращивание сырья для производства наркотиков: опийного мака, конопли и др. в конце 70-х - начале 80-х гг. (до этого они легально выращивались для приготовления лекарственных препаратов) принял опасный поворот и привел к расцвету нелегального наркобизнеса. Но география наркобизнеса отличается от географии наркомании. Первенство по выращиванию мака и конопли удерживают Пакистан, Иран, Афганистан, Лаос, Колумбия, хотя уровень наркомании в этих, в основном мусульманских, странах сравнительно невелик.
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Наркоманов подстерегает и другая опасность. С 1977 г. началось искоренение посевов конопли и мака с помощью ядовитого гербицида - параквата. Содержание параквата в некоторых наркотиках доходило до 2-3 %. При таком уровне 1-3 сигареты марихуаны в день могут вызвать необратимое рубцевание легких. Но чем яростнее борьба с торговцами «белой смертью», тем изворотливее они становятся, тем выше взвинчивают цены, вербуя новые жертвы. В преступный наркобизнес сегодня вовлекаются и медики, и химики, и политики.
В нашей стране пути распространения наркотиков в значительной степени сместились в Санкт-Петербург, который стал занимать одно из ведущих мест в России по наркобизнесу и наркомании. И если мы не можем предотвратить надвигающуюся трагедию, то нужно стремиться встретить ее во всеоружии. Для этого необходимо не только бороться с наркодельцами, но и уметь лечить болезнь, иметь на это средства. Но наше общество сегодня не готово лечить наркоманов. В этой связи часто раздаются призывы к легализации наркотиков как меры борьбы с наркоманией.
Приводятся такие аргументы: 1) наркомафия лишится работы и фантастических доходов; 2) изменятся условия жизни наркоманов; 3) сэкономленные на бесплодной борьбе с наркомафией деньги можно употребить на профилактику и лечение наркомании; 4) уменьшится число преступлений, связанных с поиском денег на наркотики. Однако такая мера не кажется бесспорной, а потому имеет много противников. Победить наркоманию, вероятно, можно только в том случае, если правительства и международные организации будут активно использовать весь арсенал как традиционных, так и самых современных средств и мер.
Алкоголизмносит ярко выраженный глобальный характер.
Как давно возникла пагубная привычка употреблять алкоголь? Считается, что изготовление алкогольных напитков началось с появлением керамической посуды, примерно в VIII веке до н. э. Виноделие было широко распространено у греков, египтян, римлян, индийцев, персов, евреев. В Древней Руси изготавливали такие напитки, как пиво, брага, медовуха. В возникновении и распространении алкоголизма особую роль сыграло откры-
тие арабскими алхимиками винного спирта, положившее начало приготовлению крепких спиртных напитков (40 - 50 °). В XVIII веке они быстро стали распространяться в Европе. В Россию водку впервые завезли из Генуи в XVI веке, но официальные власти не стали поощрять сей продукт, и она не прижилась. При Петре I, и особенно при Екатерине II, водка стала настолько ходовым товаром, что вызывала антиалкогольные бунты.
По данным международной статистики, пристрастившееся к алкоголю человечество сейчас все в большей степени становится его жертвой. Наибольший вред здоровью наносят крепкие напитки, содержащие, как правило, сивушные масла. Смертность от злоупотребления алкоголем стоит на третьем месте в мире после смертности от сердечно-сосудистых и раковых заболеваний. В США ежегодно умирает более 100 тыс. алкоголиков, в том числе 14 тыс. - от цирроза печени; кроме того, 20 - 25 тыс. жителей США гибнут на дорогах по вине пьяных водителей. Около 70 тыс. преступлений совершается там же в состоянии опьянения.
В России статистика не так хорошо, как в США, фиксирует все эти явления. Но косвенные данные свидетельствуют о том, что истинные масштабы алкоголизма у нас очень велики. Из-за алкоголизма в России сейчас больше детей-сирот, одиноких женщин, вдов и разведенных, чем после Великой Отечественной войны. Смертность, связанная с алкоголизмом, в 15 раз выше, чем в Азербайджане и в 53 раза - чем в Армении. Массовое и регулярное употребление алкоголя может иметь опасные генетические последствия. Всего 90 мл алкоголя в день или одна пьянка во время беременности могут вызвать алкогольный синдром у плода. У таких детей наблюдаются замедленный рост, отставание в умственном развитии и другие дефекты. Кроме того, алкоголь взаимодействует с табачным дымом и сильно увеличивает при этом опасность возникновения рака полости рта, гортани, пищевода, желудка. Нельзя забывать и об аллергенах, содержащихся в спиртных напитках: дрожжи, солод, пряности, сульфаты, рыбный клей и др. Чарльз Дарвин писал: «... если в народе наблюдается перевес беспечных, порочных и вообще худших членов общества над лучшим классом людей, то нация начнет регрессировать, как и случалось столько раз в истории мира». Если учесть, что генофонд нашей страны ослаблен революцией, массовыми репрес-
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
сиями, войнами и реформами, то опасность алкоголизма становится еще более очевидной.
Серьезная проблема - женский алкоголизм. Известно, что освободить женщин от алкогольной зависимости значительно сложнее, чем мужчин. Врачи-наркологи считают, что причина этого заключается в физиологических особенностях желудка женщин, который вырабатывает гораздо меньше защитных ферментов. Американские специалисты определили, что после употребления алкоголя в крови женщины столько же спиртного, как если бы она ввела его прямо в вену.
Самое страшное - это подростковый и детский алкоголизм. В США 91 % шестнадцатилетних учащихся начинают употреблять алкогольные напитки, примерно такая же картина в Канаде, не лучше и в России. Влияние алкоголя на детский и подростковый организм - убийственно.
Алкоголизм - это не столько человеческий порок, сколько опасная болезнь. Поэтому пленники Бахуса и не могут расстаться со своими привычками. Как бороться с этим злом? В законодательстве многих стран в различные времена применяли суровые меры: казнили, отрубали руку, клеймили, заставляли пить кипящее вино. Но болезнь излечить не могли. Лишь в последние десятилетия стали серьезно исследовать и изучать проблемы, связанные с алкоголизмом. В отдельных странах существуют специальные антиалкогольные программы. Тем не менее, по данным ВОЗ, в мире сохраняется тенденция увеличения потребления алкоголя. Проблема усугубляется тем, что алкоголизм неизменно связан с наркотиками, курением, другими пороками, порождающими скудоумие, нравственную и физическую деградацию человека и общества.
Итак, в современном мире люди в значительной мере страдают от «средовых» болезней, порожденных неблагоприятной экологической обстановкой. Огромный ущерб наносят и токсичные вещества, содержащиеся в табаке, наркотиках и алкоголе, воздействию которых человек подвергает себя добровольно.
Для оценки экологической ситуации в стране в целом принято использовать показатель, называемый экологичность валового внутреннего продукта (ВВП). Рассчитывается этот показатель как отношение выбросов С02 промышленностью к единице ВВП в долларах. Для стран СНГ этот показатель равен 592, в то время как для США - 383, Германии - 211, а для Японии - 190. Решать эти проблемы в пределах одной страны трудно, тем более что вода, воздух и почва не признают «суверенитетов». Трансграничный перенос загрязнений идет и между странами, и между регионами.
Контрольные вопросы
1. Какие факторы окружающей среды, влияющие на здоровье людей, относятся к биологическим?
2. Какие инфекционные заболевания обусловлены загрязнением воды?
3. Что вы знаете о СПИДе?
4. Какая связь между химическим загрязнением и возникновением различных заболеваний у населения?
5. Какие вещества относятся к канцерогенным?
6. Каковы последствия воздействия канцерогенных веществ на
организм человека?
7. Какие вредные вещества могут содержаться в продуктах питания и лекарственых препаратах?
8. Могут ли токсические вещества встречаться в природных продуктах, используемых в пищу?
9. Какие вещества являются супертоксикантами?
10. Какие физические экологические факторы влияют на здоровье людей?
11. К каким последствиям приводит воздействие ионизирующих излучений на людей?
Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека
12. Каковы источники поступления ионизирующих излучений?
13. Какие излучения называются неионизирующими? Влияют ли они на здоровье людей?
14. Что называется «шумовым загрязнением» окружающей среды? Как оно влияет на здоровье человека?
15. Чем отличаются природные шумы от антропогенных?
16. Влияет ли на здоровье человека ультразвук?
17. Влияет ли на здоровье человека погода?
1 8. Какие существуют адаптивные типы людей?
19. Какова основная причина заболеваний раком легких?
20. Каков механизм воздействия табака на здоровье человека?
21. Каковы последствия курения?
22. Как влияют на организм человека наркотики?
23. Как бороться с наркобизнесом?
24. Как бороться с курением?
25. Каковы последствия алкоголизма?
26. Что выгоднее: лечить алкоголизм или запретить?
27. Каковы основные причины «средовых болезней»?
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды |
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
10.1. Основы эколо-В 1991 г. был принят закон РФ «Об гического праваохране окружающей природной среды»
(Закон ООПС), который является головным законодательным актом прямого действия. Это означает, что нормы других законов по охране природы не должны противоречить данному законодательному акту. Под природойпонимается природная среда как объективная реальность, существующая независимо от человека как следствие эволюционного развития материального мира и состоящая из естественных экосистем. Под окружающей средойв юридическом смысле понимается часть природной среды, преобразованная антропогенной деятельностью. Природа и окружающая среда создают окружающую природную среду,внутри которой живет и действует человек. Рассмотрим основные положения Закона ООПС.
Объекты охраны окружающей природной средысогласно статье 4 Закона делятся на природные объекты, природные ресурсы и природные комплексы.
Природные объекты- это земля, недра, воды, леса, животный мир, воздух.
Земля в юридическом значении - это плодородный слой почвы. Земельный фонд РФ составляет свыше 1707 млн га (рис. 10.1). Головным актом по охране земельного фонда является Земельный кодекс РФ (ЗК), принятый также в 1991 г.
Недрами называется часть земной коры, расположенная ниже почвенного слоя до глубин, доступных для геологического изучения, освоения и добычи полезных ископаемых. В 1990 г. Россия добывала 17 % нефти, 25 % газа, 15 % угля и 14 % железной руды от объема полезных ископаемых, добываемых в мире. Регулирует отношения по использованию и охране недр головной закон РФ «О недрах» (1992). Но это скорее экономический, чем экологический закон. В охране недр много сложных и неразрешенных проблем: захоронение токсичных и радиоактивных отходов, истощение драгоценного сырья, утилизация отвалов пород и др.
Рис. 10.1. Земельный фонд России
Воды в законодательстве определяются как ограниченный природный ресурс: реки, озера, моря, океаны, подземные источники, ледники. Охрана природных вод регулируется Водным кодексом РФ (ВК), принятым в 1995 г. Структуры водного фонда и водопользования России показаны на рис. 10.2.
Рис. 10.2. Структуры водного фонда и водопользования России
Леса - это совокупность древесной, кустарниковой и травянистой растительности на землях лесного фонда. Они выполняют многообразные экологические, культурно-оздоровительные и экономические функции: почвозащитные, климатообразующие, водоохранные, рекреационные, лечебные, эстетические; поставляют древесину,
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
травы, техническое сырье; служат кормовыми угодьями и др. Охране лесов посвящены Основы лесного законодательства РФ (1993).
Животный мир - все животные организмы: от низших до высших. Федеральный закон РФ «О животном мире» (1995) предусматривает пять основных требований: сохранение видового разнообразия, охрана среды обитания и условий размножения, сохранение целостности сообществ, рациональное использование и регулирование численности.
Атмосферный воздух - это, по существу, среда, которая окружает человека. Все положения Закона ООПС в полной мере относятся к воздуху, что исключает надобность в специальном законе о воздухе.
Природные ресурсы- источники потребления природы человеком. Относительно ресурсов используется термин рациональное природопользование. Ресурсы делят на исчерпаемые и неисчерпаемые, возобновляемые и невозобновляемые (рис. 10.3).
Рис. 10.3. Классификация природных ресурсов
В одном природном объекте может быть сосредоточено несколько видов природных ресурсов. Например, лес - совокупность многих ресурсов: древесины, смол, другого технического сырья, животных и растительных пищевых продуктов, кислорода и др. Поэтому рациональное использование природных ресурсов помогает и охране природных объектов в целом.
Природные комплексы- территории, на которых функционирует несколько природных объектов, находящихся под охраной закона. К ним относятся и особо охраняемые территории: заповедники, заказники, национальные парки, лесопарки, редкие ландшафты.
Человек- составная часть природы, что делает его непосредственным и главным объектом охраны. Человек рассматривается Законом ООПС и как субъект воздействия на окружающую природную среду, несущий ответственность за последствия своей деятельности, и как объект такого воздействия, наделенный соответствующими правами и гарантиями.
Рис. 10.4. Органы экологического управления РФ |
Управление в области охраны окружающей природной среды.По Конституции РФ природопользование и охрана окружающей природной среды находятся в совместной компетенции Федерации и субъектов Федерации. Структура органов экологического управления РФ показана на рис. 10.4.
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Ш Права граждан на здоровую окружающую среду.Права граждан определены статьей 42 Конституции РФ и статьей 11 Закона ООПС и делятся на две группы: 1) права человека на чистую, здоровую и благоприятную для жизни природную среду и 2) право граждан на охрану своего здоровья от вредного воздействия окружающей среды, измененной антропогенной деятельностью. Эти права относятся к естественным правам, возникающим при рождении человека. Политические аспекты экологических прав отражены во Всемирной декларации прав человека (1948). Конференция ООН 1992 г. (Рио-де-Жанейро) подтверждает экологические права человека. Развивая эти идеи, Конституция РФ провозглашает право каждого не только на благоприятную окружающую природную среду, но и на возмещение ущерба, причиненного здоровью человека или его имуществу экологическими правонарушениями. Правовая сторона этих положений закреплена в трех основных документах: Основы гражданского законодательства (ст. 130), закон РФ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения»(ст. 5, 1991) и Закон ООПС(1991), в котором определены не только права и полномочия граждан (ст. 11, 12, 13, 89, 90), но и государственные гарантии экологических прав граждан и общественных объединений (ст. 14).
Охрана природной среды при хозяйственной деятельности.Провозглашение приоритета экологии над экономикой означает, что охрана окружающей природной среды становится основным принципом деятельности любой хозяйственной единицы. Этот принцип утверждает обязательность «экологизации» всей экономической жизни и «экономизации» природоохранной деятельности хозяйствующего субъекта, т. е. материальную заинтересованность производителя в охране окружающей природной среды. Экологические требования относятся ко всем стадиям и звеньям хозяйственного процесса: доэксплуатационным, эксплуатационным и послеэксплуатационным (рис. 10.5).
Они регламентированы VI и VII разделами Закона ООПС (ст. 40 - 57). На первой стадии процесса Закон требует обязатель-
ного экологического обоснования строительства объекта и проведения государственной экологической экспертизы (ст. 35 - 38). Экологическое обоснование проекта дает заказчик: он обязан изложить масштабы воздействия предполагаемого объекта на окружающую природную среду и определить меры по восстановлению и возобновлению природных ресурсов.
Государственная экологическая экспертизаоценивает обоснования заказчика и определяет дальнейшие решения. Положительное заключение открывает финансирование, отрицательное - запрещает какие-либо действия до устранения недостатков. Нарушение этого правила влечет за собой административную, а в злостных случаях - уголовную ответственность за злоупотребление служебным положением и превышение власти (УК РФ, ст. 285, 286).
Рис. 10.5. Охрана окружающей среды на разных стадиях хозяйственного процесса
Государственную экологическую экспертизу проводят Министерство природных ресурсов РФ и его территориальные подразделения. В заключении экспертизы должны быть ответы на следующие вопросы: 1) можно ли размещать объект в конкретных условиях с учетом всех обстоятельств, 2) каковы характер, степень воздействия и последствия реализации планируемой деятельности, 3) возможны ли меры по восстановлению и оздоровлению окружающей природной среды, воспроизводству ценных природных ресурсов. В тех случаях, когда сооружение объекта затрагивает интересы местного населения, решение о его размещении принимается по результа-
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
там обсуждения, референдума или общественной экспертизы (ст. 39). Председатели государственной и общественной экспертных комиссий несут ответственность за правильность и обоснованность своих заключений (ст. 38, 39). Выводы экспертных комиссий могут быть обжалованы в арбитражном суде.
Экологическое воспитание и образование.В Законе ООПС (ст. 73) говорится, что в целях повышения экологической культуры общества и профессиональной подготовки специалистов устанавливается система экологического воспитания и образования, охватывающая дошкольное и школьное воспитание; профессиональную подготовку в средних и высших учебных заведениях; систему повышения квалификации специалистов и средства массовой инсрормации. Основы экологических знаний обеспечиваются обязательным их преподаванием во всех дошкольных, средних и высших учебных заведениях (ст. 74, ч. 1). В специальных средних и высших учебных заведениях предусматривается также преподавание курсов по охране окружающей природной среды и рациональному природопользованию (ст. 74, ч. 2). Кроме того, Закон ООПС требует, чтобы руководители министерств и ведомств, предприятий, учреждений, организаций и иные должностные лица, связанные с деятельностью, оказывающей вредное влияние на природу и здоровье человека, имели необходимую экологическую подготовку. Лица, не имеющие такой подготовки, не должны допускаться к работе (ст. 75).
Нормативы лежат в основе измерения баланса экологических и экономических интересов человека. Закон определяет меру разумного сочетания интересов - это предельно допустимые уровни антропогенных воздействий, превышение которых создает опасность для природной среды и здоровья человека.
Нормативы качества природной среды являются основой для определения правомерности поведения субъектов экологических правоотношений, определяют степень эффективности выполнения экологических и правовых предписаний, экономику природоохранной деятельности. От показателей качества окружающей природной среды зависят реализация экологических прав человека, проведение экологических экспертиз, степень эколого-правовой ответственности, оценка экологического риска, и многое другое. Конечная цель нормирования - обеспечение научно обоснованного сочетания экономических и экологических интересов -своего рода компромисс между экономикой и экологией.
Нормативы качества окружающей среды должны отражать требования к ней различных потребителей и обеспечивать сохранение экологического равновесия в природных экосистемах в пределах их саморегуляции.
Норматив становится юридически обязательным с момента утверждения его компетентными органами: Госкомсанэпиднадзором РФ и Министерством природных ресурсов РФ. Разработка нормативов ведется в трех основных направлениях: 1) гигиеническое нормирование качества окружающей среды, 2) экологическое нормирование допустимых нагрузок на экосистему и 3) регламентация объемов загрязнений, поступающих в окружающую природную среду.
10.2. ГигиеническоеНормирование качества окружающей
нормированиеприродной среды - это деятельность по
установлению нормативов предельно
допустимых воздействий человека на природу. Под воздействием
понимается антропогенная деятельность, связанная с реализаци-
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
ей экономических, рекреационных, культурных и других интересов человека, вносящая изменения в природную среду. Наиболее распространенным видом отрицательного воздействия является загрязнение, причиняющее вред жизни и здоровью человека, растительному и животному миру и экосистемам. Воздействие человека проявляется также в истощении ресурсов, уничтожении природных экосистем, нарушении стандартов на качество продукции вследствие превышения нагрузок на окружающую природную среду и др.
Гигиенические нормативыустанавливаются в интересах охраны здоровья человека и сохранения генетического фонда некоторых видов растительного и животного мира. Это наиболее разработанная система норм. Гигиеническое нормирование охватывает также производственную и жилищно-бытовую сферы жизни человека. Установленные и утвержденные нормативы обязательны на всей территории РФ (и стран СНГ).
Для питьевой водыпредельно допустимые концентрации (ПДК) некоторых вредных веществ были утверждены еще в 1939 г. В настоящее время число установленных ПДК для водных объектов различного назначения приблизилось к 2000.
Для атмосферного воздухав 1951 г. были введены ПДК по 10 веществам; теперь их уже около 500.
Для почвыПДК вредных веществ впервые установлены в 1980 г.; сейчас нормативов более 100. Существуют также ПДК вредных веществ для рыбохозяйственных водоемов, для воздуха в зоне лесных массивов, для вод, используемых при орошении, и др.
Предельно допустимые концентрации (ПДК) - это такие концентрации вредных веществ, которые практически не оказывают влияния на здоровье человека и не вызывают неблагоприятных последствий у его потомства.
Методологической основой для разработки санитарно-гигиенических стандартов послужили методы, используемые в медицин-
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
ской и ветеринарной токсикологии. Токсикант - ядовитое, вредное для здоровья вещество. Для оценки токсичности веществ проводятся опыты на животных с последующей экстраполяцией экспериментальных данных на человека. Количество вредного вещества, поступившего в организм, отнесенного к массе тела (мг/кг), называется дозой. Количество веществ, отнесенных к единице объема или массы воздуха (мг/м3), воды (мг/л), или почвы (мг/г), называется концентрацией. Смертельные дозы и концентрации называются соответственно летальными дозой (ЛД) и концентрацией (ПК) (лат. fetalis - смертельный). Доза, вызывающая гибель 50 % подопытных организмов, обозначается как ЛД50 или ЛК50. В зависимости от степени токсичности ядовитых веществ выделяют 4 класса опасности (наиболее опасен 1-й класс). Воздействуя на организм, вредные вещества вызывают острые и хронические заболевания: острые возникают после однократного воздействия и могут приводить к смертельному исходу, хронические развиваются в результате систематического воздействия доз, не приводящих к острому отравлению. Хронические заболевания часто вызывают соединения свинца, марганца, пары ртути и др. Некоторые вещества, например, синильная кислота или цианистый калий, вызывают только острые отравления.
Для большинства веществ устанавливают две пороговые концентрации: минимальную при остром отравлении (ПДКми„0стр) и минимальную при хроническом отравлении (ПДКМИнхРон).
Однако необходимо учитывать, что одни и те же концентрации вредных веществ по-разному воздействуют на организмы в зависимости от того, где они находятся: в воздухе, воде или почве. Поэтому ПДК вредных веществ в разных средах могут сильно различаться.
Нормирование загрязняющих веществ в воздухе.Воздух - среда, непосредственно окружающая человека и потому прямо воздействующая на его здоровье. Еще в 20-е гг. XX века начали вводить ПДК вредных веществ в рабочих помещениях. Обычно содержание примесей в воздухе рабочего помещения
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
больше, чем на площадке предприятия и тем более за ее пределами. Поэтому для каждого вредного вещества в воздухе устанавливают по крайней мере два нормативных значения: ПДК в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з) и ПДК в атмосферном воздухе ближайшего населенного пункта (ПДКа.в), а также максимальные разовые (ПДКм.р. ) и среднесуточные (ПДКс).
ПДКр.з. - это концентрация, которая при работе не более 41 часа в неделю в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний у работающих и их детей.
Следовательно, при нормировании вредных веществ в воздухе производственных помещений учитывается время пребывания людей в зоне загрязнения. На территории предприятия содержание примесей принимается равным 0,3 ПДКрз, так как этот воздух используется для приточной вентиляции.
ПДКа.в. - это предельная концентрация, которая на протяжении всей жизни человека не должна оказывать на него вредного влияния, включая отдаленные последствия на окружающую среду в целом.
Необходимость раздельного нормирования определяется тем, что на предприятии работают практически здоровые люди, а в населенных пунктах круглосуточно находятся также дети, пожилые и больные люди, беременные и кормящие женщины и др. Поэтому ПДКр.з > ПДКа.в. Например, для диоксида серы (БОг) ПДКр.з = 10 мг/м3, а ПДКа.в = 0,5 мг/м3. Для метилмеркаптана эти показатели соответственно равны 0,8 и 9-10-6 мг/м3.
В табл. 10.2 приведены ПДКав некоторых загрязняющих веществ в воздухе населенных пунктов (максимальные разовые и среднесуточные) и ориентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ).
При проектировании или строительстве предприятий в районах, где воздух уже загрязнен, необходимо выбросы предприятий нормировать с учетом присутствующих примесей, т. е. фоновой концентрации (Сф). Если в атмосферном воздухе присут-
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
ствуют выбросы нескольких веществ, то сумма отношений концентраций загрязняющих веществ к их ПДК (с учетом Сф) не должна превышать единицы:
(10.1)
где Сi - концентрация i-го вещества; ПДК, - предельно допустимая концентрация i-го вещества; Сфi, - фоновая концентрация i-го вещества; п - число суммируемых веществ.
Таблица 10.2 Предельно допустимые концентрации некоторых веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Нормирование загрязняющих веществ в водных объектах.Вода является средой, в которой возникла жизнь и обитает большая часть видов живых организмов (в атмосфере лишь слой около 100 м наполнен жизнью). Поэтому при нормировании качества природных вод необходимо заботиться не только о воде как ресурсе, потребляемом человеком, но и о сохранении водных экосистем как важнейших регуляторов условий жизни планеты. Однако действующие нормативы качества природных вод ориентированы главным образом на интересы здоровья человека и рыбного хозяйства и практически не обеспечивают экологическую безопасность водных экосистем. Эти требования к качеству природных вод регламентированы Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения (введены с 1 января 1991 г.). Качество морских вод регламентировано Санитарными правилами и нормами охраны прибрежных вод морей от загрязнения в местах водопользования населения (СанПиН № 4631-88, введены с 6 июля 1988 г.).
Требования потребителей к качеству воды зависят от целей использования. Выделяют три вида водопользования:
хозяйственно-питьевое- использование водных объектов или их участков в качестве источника хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности;
культурно-бытовое- использование водных объектов для купания, занятий спортом и отдыха. К этому виду водопользования относятся и участки водных объектов, находящиеся в черте населенных мест;
водоемы рыбохозяйственногоназначения, которые, в свою очередь, делятся на три категории:
высшая категория - места расположения нерестилищ, массового нагула и зимовальных ям особо ценных и ценных видов рыб, других промысловых водных организмов, а также охранные зоны хозяйств для искусственного разведения и выращивания рыб, других водных животных и растений;
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
первая категория - водные объекты, используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, обладающих высокой чувствительностью к содержанию кислорода;
вторая категория - водные объекты, используемые для других рыбохозяйственных целей (рис. 10.8).
Рис. 10.8. Виды и категории водопользования
Конечно, природные воды являются объектами и других видов водопользования - промышленного водоснабжения, орошения, судоходства, гидроэнергетики и т. д. Использование воды, связанное с ее частичным или полным изъятием, называют водопотреблением.Все водопользователи обязаны соблюдать условия, которые обеспечивают качество воды, соответствующее установленным для данного водного объекта нормативам. Существуют и некоторые общие требования к составу и свойствам воды (табл. 10.3).
Поскольку требования к качеству воды зависят от вида водопользования, необходимо определять этот вид для каждого водного объекта или его участков. Согласно Правилам виды водопользования устанавливаются региональными органами экологического и санитарного контроля и утверждаются соответствующей исполнительной властью.
Под ПДК природных вод подразумевается концентрация индивидуального вещества в воде, при превышении которой она непригодна для установленного вида водопользования. При концентрации вещества равной или меньше ПДК вода так же безвредна для всего живого, как и вода, в которой полностью отсутствует данное вещество.
Таблица 10.3
Общие требования к составу и свойствам воды (Правила охраны поверхностных вод от загрязнения. М., 1991)
Для водоемов, содержащих в межень более 30 мг/л природных веществ, допускается увеличение взвешенных веществ в пределах 5 %; запрещается спуск взвесей со скоростью выпадения более 0,4 мм/с для водотоков и более 0,2 мм/с - для водоемов.
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Окончание табл. 10.3 |
Характер воздействия загрязняющих веществ на человека и водные экосистемы может быть разным. Во-первых, многие химические вещества могут тормозить естественные процессы самоочищения, что приводит к ухудшению общего санитарного состояния водоема (дефициту кислорода, гниению, появлению сероводорода, метана и т. д.). В этом случае устанавливают ПДК по общесанитарному признаку вредности.
Во-вторых, сточные воды могут ухудшать органолептические свойства воды (прозрачность, запах, привкус, температуру), что приводит к отказу потребителя от ее использования. В этом случае устанавливаются такие предельно низкие концентрации вредных веществ, которые не воспринимаются органами чувств человека.
Чувствительность физиологических акцепторов (лат. acceptor - приемщик)
человека очень высока, поэтому часто ПДК, установленные по органолептическому признаку вредности,являются более жесткими, чем установленные по другим признакам вредности.
В-третьих, вредные вещества могут оказывать токсическое действие при непосредственном контакте или попадании в организм. Поэтому для многих вредных веществ устанавливают ПДК по токсикологическому признаку вредности.
Для одного и того же вещества могут устанавливаться разные предельные концентрации по признакам вредности. Например, ионы меди оказывают токсическое действие при концентрации 10 мг/л, нарушают процессы самоочищения при концентрации 5 мг/л, а придают привкус воде при концентрации 1,0 мг/л.
При нормировании качества воды водоемов ПДК устанавливается по лимитирующему признаку вредности - ЛПВ. ЛПВ - признак вредного действия вещества, который характеризуется наименьшей пороговой концентрацией.
Так, в приведенном примере в качестве ПДК меди для водоема принимается концентрация, равная 1,0 мг/л, выбранная по органолептическому ЛПВ. В перечне ПДК всегда указываются ЛПВ, а также класс опасности вещества: от чрезвычайно опасных (1-й класс) до малоопасных (4-й класс).
Кроме того, одно и то же вещество для водоемов, используемых для нужд населения, может нормироваться по одному ЛПВ, а для рыбохозяйственных - по другому. Например, аммиак для хозяйственно-питьевого водопользования нормируется по общесанитарному ЛПВ (2,0 мг/л), а для рыбохозяйственных водоемов - по токсикологическому ЛПВ (0,05 мг/л). То же и для меди: для водоемов первых двух видов водопользования она нормируется по органолептическому ЛПВ (1,0 мг/л), а для рыбохозяйственных - по токсикологическому (0,01 мг/л).
Если водоем используется для нескольких видов водопользования, то в качестве ПДК выбирается самая низкая, т. е. самая жесткая предельно допустимая концентрация вещества.
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
При сбросе в водоемы нескольких загрязняющих веществ и от нескольких источников действует то же правило, что и при выбросе нескольких загрязнений в атмосферу: сумма отношений концентраций веществ, нормируемых по одинаковому ЛПВ и относящихся к 1-му и 2-му классам опасности, к их ПДК не должна превышать единицы:
(10.2)
где С - концентрации отдельных веществ, нормируемых по одинаковому ЛПВ 1 -го и 2-го классов опасности; ПДК, - предельно допустимые концентрации /-того вещества соответственно, п - число суммируемых веществ.
Нормирование загрязняющих веществ в почве.Загрязняющие вещества нормируются: 1) в пахотном слое почвы сельскохозяйственных угодий; 2) в почве территорий предприятий; 3) в почвах жилых районов в местах хранения бытовых отходов.
Допустимая концентрация вещества в почвенном слое (ПДКП) устанавливается с учетом его фоновой концентрации, стойкости и токсичности.
ПДКустанавливается экспериментально в зависимости от допустимой остаточной концентрации (ДОК) в пищевых, кормовых растениях и в продуктах питания.
ДОК- это максимальное количество вещества в продуктах питания, которое, поступая в организм в течение всей жизни, не вызывает никаких нарушений в здоровье людей.
Для летучих веществ ПДКп устанавливают в зависимости от ПДК этого вещества в атмосферном воздухе, т. е. при поступлении этого вещества в воздух ПДКа.в. не должно быть превышено. Кроме того, учитывается поступление загрязняющих веществ из почвы в грунтовые воды, в которых не должны быть превышены ПДК веществ в водных объектах.
С учетом всех этих признаков вредности в качестве ПДКП принимается наиболее жесткая концентрация.
В почвах нормируется в основном содержание пестицидов
(лат. pestis - зараза, caedo - убиваю) - ядохимикатов используемых для
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
борьбы с вредителями, сорняками, паразитами, грызунами: инскетицидов(лат. insectum - насекомые), фунгицидов(лат. fungus - гриб), гербицидов (лат. herba - трава), акарицидов(лат. akari - клещ) И др.
Нормируется содержание и многих других химических веществ: тяжелых металлов, галогенов (хлор, бром), микроэлементов. При этом содержание нормируемых примесей зависит от вида сельскохозяйственной продукции (мясная, молочная, растительная). Перечень ПДКп для некоторых инсектицидов приведен в табл. 10.4.
Таблица 10.4 ПДКП некоторых инсектицидов и допустимые остаточные концентрации этих веществ в продуктах питания (ДОК), мг/кг (по Г. В. Стадницкому, 1995)
При отсутствии ПДК могут устанавливаться временно допустимые концентрации (ВДКП), которые определяются по эмпирическим уравнениям регрессии:
(10.3)
где ПДКпр - предельно допустимая концентрация вещества в продуктах питания.
Предельно допустимое количество отходовна территории предприятия - это такое их количество, которое можно разместить при условии, что выделение вредных веществ в воздух не превысит 0,3 ПДК этих веществ, установленных для воздуха рабочей зоны. При этом должно соблюдаться уже известное правило:
(10.4)
Содержание ядовитых соединений в отходах определяет класс их опасности. При расчетах учитывают дозу (ЛД50), растворимость и летучесть токсичного компонента. Под контролем сани-
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
тарных служб должны находиться не только сбор, но и транспортировка, места захоронения и переработки опасных отходов (включая осадки станций очистки сточных вод).
Кроме перечисленных ПДК, Законом ООПС предусмотрено нормирование предельно допустимых уровней (ПДУ) шума, магнитных полей, радиационного воздействия, применения химикатов в сельском хозяйстве, остаточных количеств химических веществ в продуктах питания и другой продукции (ст. 28-32).
Сравнение ПДК, действующих в РФ, с международными стандартами.При сравнении гигиенических ПДК на воздух и воду, действующих в США, Европе и России, оказалось, что в 80 % случаев российские нормы жестче. Например, по российским стандартам в воде водоемов хозяйственно-питьевого водопользования растворенного кислорода должно быть не менее 4,0 мг/л, а ВПК - не более 3,0 мг/л. По международным европейским стандартам концентрация кислорода - не менее 5,0 мг/л, ВПК - не более 7,0 мг/л. Можно привести и другие примеры. Только в двух случаях российские ПДКрз воздуха являются менее жесткими, чем американские (табл. 10.5).
Таблица 10.5 Сравнение некоторых американских и российских ПДКрз воздуха (по П.Ревелль, 1995)
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Если судить только по ПДК, то создается впечатление, что в России обеспечивается более надежная защита воды и воздуха, чем в других странах. Однако это не так: российские стандарты, во-первых, технически недостижимы сегодня, и, во-вторых, методы контроля за их соблюдением не позволяют определять столь низкие концентрации веществ. Прежде всего это относится к ситуации, когда в окружающую среду поступают загрязняющие вещества от многих источников, т. е. действует правило суммирования (см. формулы 10.1, 10.2, 10.4). В этом случае ПДК веществ могут уменьшаться до неизмеримо малых значений.
Заведующий лабораторией токсикологии Национального института профессиональной безопасности США Г. Э. Стокин-гер (1995) высказывает такую точку зрения: «Когда огромные размеры затрат потребуются для снижения загрязнений до излишне жестких предельных норм, спешно подготовленных на основании необдуманных и сомнительных фактов, в отношении которых общественность плохо осведомлена или введена в заблуждение, тогда придет день подведения итогов и горького разочарования из-за безрассудства прежних мероприятий против загрязнителей. В дополнение к многомиллионным затратам на борьбу с загрязнением воздуха и воды предъявлены многомиллиардные судебные иски. Это подрывает крупную промышленность и ведет к ликвидации мелких предприятий. Вскоре это почувствуют и люди, так как расходы в конце концов переложат на плечи потребителя». Сколько мы согласны платить за охрану окружающей среды? Очевидно, что не беспредельно. Санкции с жесткими экономическими последствиями должны применяться только тогда, когда ясно, что здоровье людей подвергается опасности. Эту точку зрения разделяют и многие специалисты в России.
Итак, нормативы качества окружающей природной среды (ПДК) являются тем краеугольным камнем, на основе которого разрабатываются мероприятия, принимаются решения, рассчитываются затраты на охрану природы и платежи за природопользование.
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Чтобы найти компромисс между экологией и экономикой, крайне важно устанавливать научно обоснованные, тщательно выверенные и достижимые нормативы.
10.3. ЭкологическоеСуществует несколько точек зрения на
нормированиеподходы и методологию нормирования
качества окружающей природной среды.
Основные принципы разработки стандартов качества природных средсводятся к следующему:
1. Любое изменение природной среды следует рассматривать как недопустимое - «нулевая» стратегия.
2. Нормативы должны устанавливаться в соответствии с технологическими возможностями снижения уровня загрязнений и контроля за их содержанием в окружающей среде.
3. Допустимый уровень загрязнения следует устанавливать таким, чтобы затраты на его достижение были не больше стоимости ущерба при неконтролируемом загрязнении.
4. Стандарты должны исключать прямые или косвенные вредные воздействия на людей. При этом любое измеримое повышение концентрации или другого воздействия рассматривается как потенциально вредное.
Первыйподход излишне жесткий, так как не все изменения в природной среде приводят к негативным последствиям. В то же время нетронутая природная среда не всегда соответствует тем или иным требованиям людей. Например, даже незагрязненная морская вода не может быть использована для питьевых целей. Эволюция биосферы и развитие цивилизации неизбежно приводят к качественным скачкам в потоках веществ и энергии, поэтому неразумно придерживаться «нулевой» стратегии, которая подразумевает активное противодействие любым изменениям. Утопично пытаться нормативными предписаниями законсервировать современное состояние биосферы. Хотя, конечно, следует выделять компоненты и параметры окружающей среды, которые дол-
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
жны сохраняться без существенных изменений. В каждом конкретном случае необходимо тщательно оценивать, какие изменения в экосистемах являются угрожающими. Стрессовые состояния, связанные с преувеличением опасности, также могут иметь негативные последствия и создавать новые психологические, социальные, экономические и даже экологические проблемы.
Второйподход широко применяется в некоторых странах (США, Германия, Скандинавские страны), где нет единого взгляда на нормирование содержания вредных и ядовитых веществ в природной среде. Так, нормы сброса многих загрязняющих веществ в воду устанавливаются по принципу снижения загрязнения до возможного минимума, который обеспечивают наилучшие технологии. Например, Международная Хельсинкская комиссия (Хелком) установила единую норму сброса фосфора со сточными водами (1,5 мг/л) для стран Балтийского моря с учетом существующих технологий.
Конечно, стандарты, установленные по такому принципу, не исключают тяжелых последствий и для людей, и для природных экосистем. Эти нормы могут быть либо недостаточно, либо излишне строгими, так как не всегда требуется столь глубокая очистка, которая достигается дорогостоящими технологиями.
Третийподход кажется излишне меркантильным. Отказ от борьбы с загрязнением в том случае, когда стоимость природоохранных мер больше стоимости наносимого ущерба, по существу, подвергает опасности жизнь, здоровье и благополучие человека. Кроме того, при таких расчетах часто не учитывают отдаленных последствий. Например, в городе Тайлер (штат Техас) с 1954 по 1972 г. на асбестовом заводе отсутствовало необходимое защитное оборудование, и рабочие длительное время подвергались воздействию асбестовой пыли. В течение этих лет сорок человек из 900 умерли. Рабочие подали в суд на владельцев и правительство. Компенсация составила 200 млн долларов. Общее число исков от рабочих асбестовых заводов и вдов умерших рабочих в США возрастало с каждым годом и составило 10-12 тыс. дел.
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Ответственность за вызванные асбестом смерти оценивалась уже в 38 млрд долларов, что, несомненно, превышало затраты на очистные сооружения. Одна из крупных компаний, получив миллиардные иски, объявила о банкротстве. Но страшно то, что многие рабочие умирали, не дождавшись решения своих дел.
подход, ориентированный на здоровье людей, считают единственно правильным в России и странах бывшего Союза. При этом экспериментальные методы медицинской токсикологии, оправданные при разработке ГОСТов на питьевую воду и продукты питания, механически переносятся на природные экосистемы, где действуют гомеостаз и саморегуляция. Но при всей внешней привлекательности эти нормативы практически недостижимы, что провоцирует их несоблюдение. Поэтому исполнительные власти вынуждены принимать решения о той или иной степени отступления от норм на местном уровне. Все это приводит не столько к защите окружающей природной среды, сколько к разорению предприятий, если нормативы научно не обоснованы и фактически не могут быть выполнены.
Следовательно, необходима разработка таких нормативов, которые позволят обеспечить сбалансированное решение экологических и экономических задач и станут инструментом устойчивого развития общества.
Основа конфликта между обществом и природой, как отмечалось ранее, в том, что биосфера уже не может обеспечивать растущие потребности человечества. Мы помним, что природная среда - это не только ресурс потребления, который не должен истощаться и загрязняться, но и регулятор условий жизни планеты.
Компромисс между природой и человеком будет найден тогда, когда антропогенные нагрузки не будут превышать компенсационные возможности экосистем биосферы.
Поэтому защита окружающей среды не должна сводиться только к поиску технологий минимизации ее загрязнения.
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Оценка экологической емкости региональных экосистеми биосферы в целом, т. е. соизмерение хозяйственной деятельности с возможностями природы справляться с антропогенными нагрузками - основная задача природопользования сегодня.
Это уже прозвучало в Законе ООПС (ст. 33), где записано, что должны устанавливаться «предельно допустимые нормы нагрузки на окружающую природную среду с учетом ее потенциальных возможностей».
Улучшить благосостояние людей и сохранить природные экосистемы можно лишь в том случае, если будут найдены методы оценки и механизмы контроля нагрузок в рамках емкости биосферы.
Инструментом для этого должны служить нормативы качества окружающей природной среды. Однако действующая в России и многих странах бывшего Союза и Восточной Европы система санитарно-гигиенических и других токсикологических предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ не отвечает этим задачам и лишь создает иллюзию защиты природных систем и интересов природопользователей. Так, например, даже строгое соблюдение ПДК не дает никаких гарантий сохранения качества поверхностных вод и благополучного состояния водных экосистем. Некоторые тяжелые металлы при концентрациях в воде, не превышающих ПДК, подавляют самоочищение и другие внутриводоемные процессы. А при содержании в воде водоемов 0,03 мг/л фосфатов, что в сто раз ниже требований ГОСТа на питьевую воду (3,5 мг/л) и почти в десять раз ниже рыбохозяй-ственных ПДК (0,2 мг/л), начинается «цветение». Это приводит к вторичному загрязнению и ухудшению качества воды по показателям мутности, цветности, БПК: появляются запахи, привкусы, токсины и т. д. Их значения начинают превышать допустимые санитарно-гигиеническими нормативами. В других случаях, наоборот, природные системы способны компенсировать большие нагрузки, чем того требуют гигиенические предписания.
Все это относится и к воздействию загрязняющих веществ на наземные экосистемы, в частности, на растения. ПДК для расте-
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
ний отличаются от таковых для человека. Растения более уязвимы, чем человек. Даже при соблюдении всех гигиенических ПДКа.в. гибели растений не избежать, что, несомненно, будет иметь хотя и более отдаленные, но трагические последствия и для человека (табл. 10.6).
Таблица 10.6 ПДК некоторых загрязняющих веществ в атмосферном воздухе для растений и человека (по В.С.Николаевскому, 1988)
Таким образом, необходимость разработки ПДК не только по гигиеническим, но и по экологическим признакам вредности предельно очевидна. Однако государственной нормативно-правовой деятельности по разработке и утверждению экологических норм, правил и регламентов не существует. Природоохранные мероприятия, ориентированные только на действующие санитарно-гигиенические ПДК, часто малоэффективны или вовсе бесполезны. Складывается парадоксальная ситуация: нормы ужесточаются, платежи и затраты возрастают, а состояние природных объектов ухудшается.
Следовательно, нужны иные нормативы, защищающие интересы экосистем, а значит, и здоровье людей. Таким целям отвечают экологические нормативы, которые в ряде случаев являются и более экономичными.
Экологические нормативыпринципиально отличны от санитарно-гигиенических, рыбохозяйственных и других токсикологических ПДК.
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Цельсанитарных и токсикологических норм и регламентов -охрана здоровья населения и отдельных популяций живых организмов. Задача же экологического нормирования - обеспечение благополучия экологических систем в целом, в том числе и здоровья человека, т. е. сохранение установившегося в природе равновесия в пределах возможной саморегуляции.
Методология,применяемая для разработки гигиенических ПДК, основанная на экстраполяции на экосистемы лабораторных данных, на которые опираются медицинская и ветеринарная токсикология, непригодна для выработки экологических нормативов. Сохранение экологического равновесия в экосистемах определяется не индивидуальной реакцией отдельных особей, как в лабораторном эксперименте, а реакцией всего сообщества. Поскольку экосистема не эквивалентна организму, то и проблема экологического нормирования должна решаться на надорганизменном уровне.
Требования человека к качеству окружающей природной среды практически не зависят от климата, ландшафта и других региональных особенностей, а нормальное функционирование экосистем при одних и тех же нагрузках существенно зависит от всей совокупности природных экологических факторов локального и регионального масштабов.
Экологические нормативы должны разрабатываться на локальном и региональном уровнях, обеспечивая тем самым экологическое равновесие в глобальном масштабе.
Разработка нормативов качества природных экосистем является первоочередной задачей. Предельно допустимые концентрации вредных веществ для экосистем по аналогии с ПДК можно назвать ЭДК.
ЭДК- это экологически допустимые концентрации вредных веществ в окружающей среде, не нарушающие гомеопатические механизмы саморегуляции экосистем.
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
На основе ЭДК можно рассчитывать экологически допустимые нагрузки - ЭДН, не превышающие экологической емкости экосистем.
ЭДН- это и есть та мера, которая позволит обеспечить баланс экологических и социально-экономических интересов человека - инструмент устойчивого развития общества.
Рассмотреть подходы к разработке ЭДК и оценке емкости экосистем наиболее удобно на примере поверхностных вод, так как вода, в отличие от атмосферы, - жестко локализованное природное тело. Водные экосистемы - среда обитания большинства живых организмов и важнейший ресурс жизнеобеспечения всех организмов. Последствия загрязнения воды сказываются на здоровье экосистем и человека.
Авторы учебника предлагают один из возможных методологических подходов для расчетов ЭДК в пресноводных водоемах и экологически допустимых сбросов загрязняющих веществ - ЭДС.
Расчеты ЭДК и ЭДС для водоемов основаны на использовании показателя, интегрально отражающего экологическое состояние водной системы на надорганизменном уровне. Диагноз экологического состояния водоемов не может быть сведен к сумме традиционных характеристик неживых и живых компонентов системы. Анализ банков данных даже многолетней динамики сотен отдельных гидрохимических и гидробиологических показателей не может дать адекватного описания функционирования экосистемы. Необходимы критерии, интегрально отражающие функции и реакцию на стресс всей системы в целом с учетом ее эмерджентных свойств. При этом решающее значение имеют аппаратурное и методическое обеспечение оперативного контроля за изменением этих показателей. Многие показатели могли бы выполнять роль интегральных, но мало таких, которые отвечают требованиям оперативности и автоматизации контроля.
Интегральный критерий, предлагаемый авторами, основан на фундаментальной характеристике любых экосистем: соотношении скоростей автотрофных и гетеротрофных процессов, т. е. продукции и деструкции органических веществ.
Соотношение скоростей продукции и деструкции органических веществ отражает состояние биотического баланса в экосистемах и может служить интегральным функциональным показателем их экологического состояния.
В водоемах баланс продукционно-деструкционных процессов может быть отрицательным(дистрофные и ультраолиготрофные водоемы), нулевым(олиготрофные водоемы) и положительным (мезотрофные и эвтрофные водоемы). Когда скорости гетеротрофных процессов сильно опережают скорости автотрофных, концентрация С02 в окружающей среде возрастает, а концентрация 02 падает. Это приводит, например, к «парниковому эффекту» в атмосфере. Поэтому соотношение концентраций углекислого газа и кислорода может характеризовать соотношение скоростей продукции и деструкции. В водоемах это соотношение может быть выражено количественной зависимостью рН и концентрации растворенного 02, что вытекает из схемы уравнения фотосинтеза:
где - скорости продукции (фотосинтеза) и деструкции соответственно.
Согласно закону действующих масс Гульдберга и Вааге следовательно,
где К1 и К2 - константы скорости продукции и деструкции соответственно.
Но согласно тому же закону концентрация веществ, находящихся в виде индивидуальных фаз, является постоянной величиной и принимаетсяравной единице:
Отсюда следует, что
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Но в водоемахсвязана строгой количественной зависи-
мостью с концентрацией ионов водорода , т. е. рН воды,
котораяназывается углекислотным равновесием:
При увеличении содержания концентрация ионов водо-
рода увеличивается, а рН снижается, и наоборот. Следовательно, в водоемах соотношение скоростей продукции и деструкции можно выразить зависимостью
Использование зависимостии для этой цели очень
удобно, так как и рН, и содержание кислорода измеряются при любых исследованиях водоемов уже более 100 лет. Измерение их доступно, достаточно точно, легко автоматизируется. Существуют десятки приборов для их измерения.
Авторы разработали интегральный показатель, характеризующий сбалансированность продукционно-деструкционных процессов в водоемах, основанный на измеренияхи, и установили
его численные значения для различных экологических состояний пресноводных водоемов'. Таким показателем является величина рН, приведенная к нормальному 100 %-ному насыщению воды кислородом - рН100%. Показатель рассчитывается по формуле
(10.5)
где- измеренные значенияза время , - концентрации(в %), измеренные
синхронно сза то же время - эмпирический коэффициент зависимости от
; п - число измерений за время
С помощью этого показателя можно оценивать не только основные, но и промежуточные состояния биотического баланса и прослеживать тенденции его изменения за многолетний период (рис. 10.9).
Для каждого водоема можно выбрать свой допустимый диапазон колебаний интегрального показателя в пределах его гомеоста-
1 Патент РФ № 2050128 от 20 декабря 1995 г., патентообладатели Л. И. Цветкова, В. Н. Пономарева, Т. И. Копина, Е. В. Неверова-Дзиопак.
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
тического плато. В приведенном на рис. 10.9 примере колебания рН 100!% не должны выходить за пределы 7,2 - 7,9, обозначенные красными линиями. При значении показателя рН100°/о меньше нижнего предела (возможно при загрязнении токсикантами) и больше верхнего (при загрязнении биогенами) нарушение биотического баланса может стать необратимым, и система деградирует.
Рис. 10.9. Изменение экологического состояния эстуария р. Невы с 1962 по 1992 г. (по Л. И. Цветковой, 1995)
Значения показателя для различных состояний биотического баланса в пресноводных водоемах приведены в табл. 10.7.
Таблица 10.7 Значения рНюо% в пресноводных водоемах с различным экологическим состоянием
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды |
Таблица 10.9 ЭДК некоторых загрязняющих веществ в воде Невской губы( ) |
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
На основе интегрального показателя выбираются факторы, регулирующие экологическое состояние водоема. Для приведенного примера путем многофакторного статистического анализа было установлено, что основными экологическими факторами, стимулирующими эвтрофирование, тенденция к которому в водоеме очевидна, являются: увеличение концентраций минеральных форм фосфора, азотаи высокая температура воды.
К факторам, тормозящим эвтрофирование, относятся: увеличение соотношения между атомно-массовыми концентрациями азота и фосфора , большие глубины и высокие скорости тече-
ния воды. Выбор приоритетных или лимитирующих факторов позволяет использовать простую регрессионную модель для инженерных расчетов:
где- интегральный показатель- приоритетные экологические факторы.
Нормативные значения показателядля конкретной водной экосистемы устанавливаются на основе эмпирических данных.
Задавая нормативные значения показателяи величины неуправляемых абиотических факторов (температуры, глубины, скоростей и др.), рассчитали ЭДК азота и фосфора для некоторых заливов Балтийского моря (табл. 10.8).
Для Невской губы, кроме биогенов, рассчитаны ЭДК и других загрязняющих веществ (табл. 10.9). |
Таблица 10.8 ЭДК биогенных веществ (по Е. В. Неверовой, 1988)
Приведенные в табл. 10.8 и 10.9 данные показывают, что, во-первых, ЭДК в отдельных районах Балтийского моря различаются в зависимости от природных и антропогенных региональных условий. Во-вторых, ЭДК отличаются от гигиенических и рыбохозяйственных ПДК: они могут быть более жесткими (по нитратам, фосфатам), менее жесткими (по, ионам аммония, нитритам) или совпадать с ПДК (по ртути).
Конечно, возможно, использование других интегральных показателей состояния водоемов и других подходов к оценке ЭДК и емкости экосистем. Но в любом случае интегральные критерии облегчают решение многих прикладных задач:
- упрощается построение математических моделей экосистем, так как резко снижается число переменных;
- появляется перспектива создания инструментальных экспресс-методов контроля за экологическим состоянием природных систем;
- на основе компьютерных банков данных облегчаются выбор приоритетных (лимитирующих) факторов, управляющих конкретной экосистемой, и получение статистических зависимостей, пригодных для расчетов ЭДК, ЭДС, ЭДН загрязняющих веществ; других инженерных расчетов (например, степени очистки стоков и выбросов); прогнозов экологических нарушений.
Экологическое нормирование должно стать частью общегосударственной программы обеспечения экологической безопасности природных ресурсов России. Без создания
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Экологических норм, правил и регламентов формирование гармоничных эколого-социально-экономических систем невозможно и Закон об охране природы останется только на бумаге.
Однако для практической реализации предлагаемых подходов и разработки новых интегральных критериев и методов оценки емкости экосистем необходимы дальнейшие исследования и государственная поддержка, особенно в части внедрения уже существующих разработок.
10.4. Регламентация выбросовОбъемы предельно допусти-загрязнений в окружающуюмых выбросов (ПДВ) и сбро-
средусов (ПДС) вредных веществ и микроорганизмов, загрязняющих воздух, воды, почвы, и других предельно допустимых нагрузок (ПДН) рассчитывают с учетом производственных мощностей объекта и данных о вредных последствиях по каждому источнику загрязнения. Цель расчетов - обеспечение наиболее благоприятных условий жизни населения, предотвращение разрушения и необратимых изменений естественных экологических систем (ст. 33 Закона ООПС). Ясно, что без создания экологических нормативов эта статья останется лишь декларацией. Согласно действующим правилам основной принцип, заложенный в расчеты ПДВ, ПДС и ПДН, - это обеспечение таких объемов поступления загрязнений в окружающую среду, при которых не нарушаются требования природопользователей (ПДК). Следовательно, в основе всех расчетов лежат действующие ПДК. Рассмотрим это на примерах.
Расчет ПДВ в атмосферу.Конечная цель расчетов ПДБ -обеспечение в атмосферном воздухе концентраций вредных веществ, не превышающих ПДКа.в, т. е. соблюдение условия
Для точечных источников с круглым устьем расчет ведется следующим образом. Вначале определяют фактическую концен-
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
трацию вещества в воздухе на расстоянии Хм от источника загрязнения:
(10.6)
где Си - максимальная приземная концентрация примеси; А - коэффициент, определяющий условия перемешивания (в центре России, например, 140, а в Средней Азии - 250); - мощность выброса, г/с или т/год; - коэффициент скорости оседания веществ из атмосферы (для газов и мелкодисперсных аэрозолей ); чем меньше изымается при
очистке этих веществ, тем выше значение F при 90%-ной очисткепри 75%-ной -
2,5 и т. д.; - коэффициенты, учитывающие условия выхода смеси из источника
(определяются по номограммам);- коэффициент шероховатости, зависит от рельефа местности; - высота трубы,- разность температур газовоздушной смеси и
воздуха наиболее жаркого месяца; - объем газовоздушной смеси, :
(10.7)
где- диаметр устья источника,; - скорость выхода смеси из устья источника, м/с.
Расстояниеот источника до места, где создается максимальная приземная концентрация примеси , находят по формуле
(10.8)
где- коэффициент, определяется дополнительно для нагретых и холодных газопылевых смесей.
Фактический объем выбросадля каждого вредного вещества и каждого источника можно рассчитать по формуле
(10.9)
Чтобы количество вещества, выбрасываемого в единицу времени (М), не превышало ПДВ, в формулу (10.9) вместонужно ввести соответствующего вещества. Необходимо
также учитывать фоновые концентрации тех же веществТогда ПДВ (г/с или т/год) можно рассчитать по формуле
(10.10)
При сбросе нескольких веществ необходимо соблюдать правило суммирования (см. формулу 10.1).
В реальных условиях предприятия часто по техническим причинам не могут выдержать установленные для них ПДВ. В этих случаях разрешается поэтапное снижение выбросов и устанавливаются временно согласованные выбросы (ВСВ) до достижения ПДВ.
Задачи обеспечения ПДВ, т. е. условия, решаются
путем внедрения ресурсосберегающих технологий, соблюдения
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
техники безопасности, очистки и обеззараживания выбрасываемых в воздух смесей, замены топлива и т. д. При невозможности обеспечения ПДВ предприятия должны быть перепрофилированы или закрыты.
Промышленные здания влияют на рассеивание загрязняющих веществ. V стен и в других местах образуются зоны с замедленными скоростями ветра - «ветровые тени» (рис. 10.10).
Рис. 10.10. Застойные ветровые зоны воздуха около промышленных зданий (по Г. В. Стад-ницкому и А. И. Родионову, 1996): I, II, III - «ветровые тени»
Рис. 10.11. Расположение промышленных зданий относительно направления ветра (по Г. В. Стадницкому и др., 1996): - ширина здания,- длина здания |
Загрязняющие вещества скапливаются в «ветровых тенях», если трубы невысоки по отношению к зданиям. Поэтому влияние промышленных зданий учитывается лишь тогда, когда: 1) здание расположено близко к источнику загрязнения; 2) высота источника меньше высоты «ветровой тени»; 3) высота здания больше 0,7 высоты источника, при расстоянии между зданием и источником более 0,5 При этом за ширину здания принимается сторона, перпендикулярная к направлению ветра (рис. 10.11).
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Рис. 10.12. Санитарно-защитная зона предприятия (по Г. В. Стадницкому, А. И. Родионову, 1996) |
Санитарные нормы требуют также отделять предприятия от жилой застройки санитарно-защитными зонами (СЗЗ). Расчет площади СЗЗ регламентируется соответствующим ГО-(рис. 10.12). Все предприятия сгруппированы по отраслям с учетом характера выбросов: химические, металлургические, горнодобывающие и др. Внутри каждой группы выделяют пять классов опасности. Так, в химической промышленности к 1-му классу
опасности относятся производство аммиака, азотной кислоты и азотных удобрений, а к 5-му - производство красок, пластмасс, смол и др. Класс опасности определяет протяженность СЗЗ: для 1-го класса опасности - 1000 м, для 2-го - 500, для 3-го - 300, для 4-го - 100, для 5-го - 50 м. Учитывается также и роза ветров. Протяженность СЗЗрассчитывают по формуле
(10.11)
где- нормативная ширина для данного класса опасности; - повторяемость
ветров в данном направлении, %; - средневзвешенная повторяемость ветра,
равная при 8-румбовой розе ветров 12,5 %.
Размеры СЗЗ могут быть уменьшены за счет очистки и обезвреживания выбросов и снижения влияния иных вредных факторов.
Расчеты ПДС в водоемы.Согласно действующим Правилам санитарно-гигиенические требования к качеству воды относятся только к местам или створам водопользования, а не ко всей акватории водного объекта. В водотоках контрольный створ, в котором состав и свойства воды должны соответствовать нормативным, расположен на расстоянии 1 км выше ближайшего по течению пункта водопользования (рис. 10.13).
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды |
Рис. 10.13. Расположение контрольного створа в водотоках
Для водоемов рыбохозяйственного назначения контрольный створ устанавливается на расстоянии 0,5 км от выпуска сточных вод. В непроточных водоемах контрольная зона должна соответствовать нормативам в радиусе 1 км от пункта водопользования (рис. 10.14).
Требования к составу и свойствам воды в контрольных створах и зонах зависят от вида водопользования. Основной принцип определения условий сброса сточных вод в водоемы заключается в том, что на первом этапе проектирования, т. е. при выборе площадки для нового объекта или реконструкции существующего, должны быть представлены материалы, характеризующие:
1) объект, его производительность; количество, состав, свойства и степень изученности сточных вод; место предполагаемого выпуска; наличие
РиС |
10.14. Расположение контрольной зоны
в непроточных водоемах методов очистки, обезврежива-
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
ния, утилизации, возможности оборотного и повторного использования сточных вод; наличие ПДК загрязняющих веществ;
2) санитарное состояние водного объекта; его гидрологический режим; наличие выпусков других объектов; перспективу использования водного объекта, возможность изменения гидрологического режима, появление на нем новых водопользователей и др.
ПДС устанавливаются для каждого вещества с учетом фоновой концентрации, категории водопользования, норм качества воды и ассимилирующей способности водного объекта.
Все представленные на согласование материалы должны быть достоверными.
Определение условий отведения сточных водосновывается на расчетах, которые позволяют решить следующие основные задачи:
1) в какой мере будет достаточна степень разбавления в контрольном створе, обеспеченная местными природными условиями;
2) до какой степени следует очищать сточные воды, чтобы в расчетном контрольном створе не нарушалось условие
Основное расчетное уравнение имеет вид
(10.12)
где Q и q - соответственно расходы воды в водном объекте и сточных вод; Сст Сф и Скст -соответственно концентрации веществ одинакового вида в сточных водах, водном объекте до сброса сточных вод (фоновая) и в контрольном створе; у - коэффициент смешения.
Рассмотрим примеры расчетов.
Прогноз санитарного состояния водного объекта при проектировании выпуска сточных вод.Прогноз санитарного состояния водоема может быть выполнен при решении уравнения относительно
(10.13) Если то прогноз благоприятный. В противном
случае необходимы специальные меры, в основном по очистке
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
сточных вод (или снижению их объема). Степень очистки и характер технологических и санитарно-технических мероприятий определяются степенью несоответствия и ПДК.
Расчет допустимой концентрации загрязняющего вещества в сточных водах (ДКСТ) и ПДС,Концентрация вещества в сточной воде может быть рассчитана по формуле
(10.14)
Допустимая концентрация загрязняющего вещества в сточной воде (ДКСТ) должна отвечать условию, при котором
(10.15)
При ДКСТ < ПДК нормативные требования должны быть отнесены не к контрольному створу водного объекта, а к самим сточным водам. Необходимость столь глубокой очистки и обезвреживания сточных вод ставит под сомнение целесообразность строительства (по экономическим соображениям).
Таким образом, величина ДКСТ принимается за основу при проектировании мероприятий по снижению загрязнения. Необходимую степень очистки сточных вод (D, %) рассчитывают по формуле
(10.16)
Если то спуск сточных вод недопустим.
ПДС определяют по формуле
(10.17)
Этот расчет пригоден для наиболее простого случая, когда сток организован одним выпуском и загрязняет водный объект в основном одним веществом.
Расчет сброса нескольких загрязняющих веществ.Возможны два случая.
Первый случай - загрязняющие вещества относятся к 1-му и 2-му классам опасности и к одной группе по ЛПВ. Вначале рассчитывают концентрацию первого вещества в контрольном створе
(10.18)
Таким же образом рассчитывают ст и т. д. до
После этого проверяют, соблюдается ли условие
(10.19)
Если сумма отношений концентраций всех веществ одного лимитирующего признака вредности к соответствующим ПДК оказалась больше единицы, следует рассмотреть возможные способы снижения концентрации каждого вещества. При этом в процессе проектирования можно выбрать такую схему очистки, при которой уменьшаются концентрации лишь наиболее легко удаляемых веществ.
Затем, как и в предыдущих случаях, выполняют повторный проверочный расчет с учетом эффективности осуществленных мероприятий, чтобы удостовериться, что сумма отношений концентраций к ПДК в створе водопользования не больше единицы.
Второй случай - в промышленном стоке содержатся вещества разных групп по ЛПВ. Тогда сначала вещества (только 1-го и 2-го классов опасности) группируют по лимитирующим признакам вредности. Затем задачу решают, определяя предельные концентрации в стоке каждого вещества - раздельно от первого до последнего -по формуле (10.15).
Расчет кратности разбавления сточных вод в водных объектах.На предварительном этапе, когда обсуждается вопрос о выборе места выпуска сточных вод в один из ближайших водных объектов, одним из ориентиров является степень разбавления сточных вод у ближайшего пункта водопользования. При определении кратности разбавленияв расчетных контрольных створах водотоков пользуются формулой
(10.20) Для непроточных водоемов п может быть рассчитано по формуле
(10.21)
С учетом кратности разбавления ДКСТ можно рассчитать по формуле
(10.22)
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Чем меньше рассчитанная степень необходимого разбавления соответствует местным условиям, тем более жесткими должны быть мероприятия по очистке сточных вод. Технические и экономические трудности на пути осуществления этих мероприятий могут указать на необходимость переноса проектируемого строительства в район с более благоприятными гидрологическими условиями.
Сточные воды запрещается сбрасывать в водные объекты также в следующих случаях: 1) при возможности повторного использования; 2) при содержании ценных отходов, которые могут быть утилизированы; 3) при содержании вредных веществ, для которых не установлены ПДК; 4) при возможности их использования для орошения.
При большом количестве выпусков и сбрасываемых загрязняющих веществ расчеты условий их сброса могут приводить к абсурдным результатам, когда допустимые концентрации сбрасываемых веществ становятся неизмеримо малы. Так, допустимые концентрации некоторых веществ в промышленных сточных водах Санкт-Петербурга значительно меньше, чем допустимое содержание их в питьевой воде, т. е. сброс даже городской водопроводной воды должен быть запрещен, не говоря уже о сточных водах. Это свидетельствует о том, что методология, заложенная в действующих нормативных документах, пригодна только для простых случаев сброса сточных вод через небольшое число выпусков и требует пересмотра (табл. 10.10).
Как видим, при расчетах ПДС и ПДВ учитываются в основном интересы людей. Между тем, при воздействии вредных веществ на природные экосистемы «вторичные» эффекты, не имеющие первостепенного значения для человека, приобретают решающее значение. Определяющей может оказаться не первоначальная концентрация вещества, а его накопление в различных звеньях экосистемы. Экологическая безопасность может быть обеспечена, если в приведенных выше расчетах условий отведения сточных вод использовать не ПДК, а экологически
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
допустимые концентрации (ЭДК) для определения экологически допустимых сбросов (ЭДС).
Таблица 10.10
Сравнение допустимых концентраций некоторых загрязнений в промышленных сточных водах Санкт-Петербурга (1991 г.) с требованиями ГОСТа на питьевую воду (1996 г.) и ПДК для водоемов хозяйственно-питьевого назначения
ЭДС биогенных веществне должны превышать экологическую емкость водоема. В качестве примера приведем расчеты ЭДС биогенных веществ для основных очистных станций аэрации (СА) Санкт-Петербурга. Городские сточные воды Санкт-Петербурга сбрасываются в разные районы Невской губы, различающиеся гидрометеорологическими условиями (интенсивностью солнечной радиации, проточностью, глубиной, скоростями течения и др.). Северная и Красносельская СА сбрасывают стоки в прибрежные мелководные, хорошо прогреваемые зоны замедленного течения, а Центральная СА - в транзитную глубоководную зону с высокими скоростями течения. Это и определяет различия в экологической емкости локальных зон водоема, а следовательно, и ЭДС. Для Северной и Красносельской СА необходима глубокая доочистка от фосфора, в то время как Центральная СА в этом не нуждается (табл. 10.11).
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды |
Таблица 10.11 Экологически допустимый сброс биогенных веществ от СА Санкт-Петербурга (по Е.В.Неверовой, 1990) |
Интересно сравнить также ДКСТ фосфора, рассчитанные на основе ЭДК для различных районов Невской губы, с ДКСТ, утвержденной Хелком для стран региона Балтийского моря и равной 1,5 мг/л. Как видно, норматив Хелком не может предотвратить эвтрофирование в северной и южной прибрежных зонах Невской губы (см. табл. 10.11). В то же время для Центральной станции аэрации норма Хелком слишком жесткая, ДКСТ для нее может быть 2,7 мг/л. Соблюдение норм Хелком в этом случае приведет к излишним затратам на внедрение дорогой технологии доочистки от фосфора огромных объемов сточных вод (1,5 млн м3/сут).
Рассмотренный пример еще раз подтверждает необходимость разработки экологических нормативов и методологии инженерных расчетов ЭДС в пределах экологической емкости водоемов, что позволит предотвратить их деградацию и обеспечить нормальные условия водопользования населения без излишних эко-номическоих затрат.
Нормативное обеспечение экологической безопасности природной среды как ресурса жизнеобеспечения населения, т. е. создание дополнительно к действующим нормативов, защищающих интересы природных систем надорга-низменного уровня, - одна из ключевых проблем охраны природы.
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
Разумеется, экологические подходы необходимо развивать и при нормировании качества других природных сред и биосферы в целом.
Контрольные вопросы и упражнения
1. Какой закон является основным в системе экологического законодательства в РФ, в чем его особенности?
2. Перечислите объекты охраны окружающей природной среды.
3. Назовите основные права граждан на здоровую окружающую среду.
4. Какие вы знаете виды ответственности за экологические правонарушения?
5. Какие существуют подходы к нормированию качества окружающей природной среды?
6. Что такое ПДК?
7. Какова цель экологического нормирования?
8. Чем отличаются ПДК от ЭДК?
9. Что такое ПДВ, ПДС, ПДН, ЭДС, ЭДН?
10. Каковы основные условия выбросов загрязняющих веществ в воздух?
11. В воздухе присутствуют одновременно фенол (0,009 мг/м3) и ацетон (0,342 мг/м3); соответствующие им ПДК равны 0,01 и 0,35 мг/м3, их фоновые концентрации равны 0. Допустим ли такой уровень загрязнения?
12. Каковы основные условия сброса сточных вод в водоемы?
13. Что такое лимитирующий признак вредности ЛПВ?
14. Как рассчитать допустимую к сбросу в водоем концентрацию загрязняющего вещества в сточных водах ДКСТ?
15. Как рассчитать ПДС загрязняющего вещества?
Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОХРАНЫ ПРИРОДЫ |
16. Чем отличается ПДС от ЭДС?
17. Как рассчитать необходимую степень очистки сточных вод?
18. В сточной воде содержатся кадмий (0,003 мг/л), кобальт (0,005 мг/л) и цинк (0,03 мг/л). Можно ли эту сточную воду сбрасывать в водоем без очистки, если ПДК этих веществ установлены по одинаковому ЛПВ и равны 0,005, 0,01 и 0,1 мг/л соответственно?
ГЛАВА 11
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
11.1. МониторингСпециальные мероприятия по охране и защите окружающей природной среды необходимы, когда ее качество не соответствует нормативным требованиям, а экосистемы не компенсируют антропогенные нагрузки и разрушаются. Поэтому для принятия решений о природоохранной деятельности прежде всего нужна информация о фактическом состоянии природных объектов.
Наблюдения за состоянием окружающей природной средыосуществляются человеком давно для определения оптимальных условий ведения хозяйства, принятия мер по предотвращению неблагоприятных воздействий на жизнь людей и т. д. В состав информации о качестве окружающей природной среды входят данные о существующем состоянии и прогнозы изменений природных условий.
Биосфера меняется под влиянием естественных процессов и антропогенных воздействий. После естественных изменений экосистемы обычно восстанавливаются и возвращаются в начальное состояние. Перепады температур, давления, сезонные колебания биомассы растений и животных - примеры естественных изменений, которые варьируют около относительно постоянных средних значений. Средние характеристики состояния биосферы (климата, круговорота воды, глобальной продукции и др.) могут заметно изменяться в течение тысяч и миллионов лет. Антропогенные изменения происходят быстро (за одно-два десятилетия) и сопоставимы по масштабам с естественными, протекающими в течение тысячелетий.
Естественные изменения изучаются геофизическими службами: гидрометеорологической, сейсмической, ионосферной, гравиметрической, магнитометрической и др. Чтобы выделить антропогенные изменения на фоне естественных, необходимы специальные наблюдения.
Систему наблюдений за изменением состояния окружающей
ПрИрОДНОЙ Среды называют МОНИТОРИНГОМ(лат. monitor, англ. monitoring -надзирающий).
Экологический резерв природной экосистемы есть разница между предельно допустимым уровнем нагрузки и фактическим состоянием экосистемы.
Если эта величина отрицательна, то экосистема перегружена и требует восстановления, в противном случае она погибает.
1 Мониторинг состояния здоровья человека составляет специальный раздел наблюдений.
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
Метод анализа результатов наблюдений и оценка состояния экосистемы зависят от вида мониторинга. Обычно оценка осуществляется по совокупности показателей или по условным индексам, разработанным для атмосферы, гидросферы, литосферы. К сожалению, нет унифицированных критериев даже для одинаковых элементов природной среды. Для примера рассмотрим лишь отдельные критерии.
В санитарно-гигиеническом мониторингеобычно используют: 1) комплексные оценки санитарного состояния природных объектов по совокупности измеряемых показателей (табл. 11.2, 11.3) или 2) индексы загрязнений. Общий принцип расчета индексов загрязнений следующий: вначале определяется степень отклонения концентрации каждого загрязняющего вещества от его ПДК, а затем полученные величины объединяются в суммарный показатель, который учитывает воздействие нескольких веществ.
Приведем примеры расчета индексов загрязнения, используемых для оценки загрязненности атмосферного воздуха (ИЗ) и качества поверхностных вод (ИЗВ).
Расчет индекса загрязнения (ИЗ) атмосферного воздуханачинается с нахождения отношения измеренной концентрации i-го вещества Сi к его ПДКi (Ai):
(11.1)
Величина Аi дает возможность оценивать действие концентраций различных веществ в сопоставимых единицах. Далее воздействие веществ учитывают введением весовых коэффициентов и выбором вида функции, которая характеризует закономерности влияния определяемых загрязняющих веществ на те или иные объекты. Индекс загрязнения атмосферного воздуха ИЗ рассчитывают по формуле
(11.2)
где ф-1(z) - обратная функция; к - число показателей, используемых в расчете.
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Таблица 11.3 Комплексная оценка санитарного состояния почв (по Г. В. Стадницкому и др., 1996) |
Частными случаями формулы (11.2) являются:- сред-
нее арифметическое, - среднее геометрическое,
- среднее квадратическое.
Далее могут быть рассчитаны индексы загрязнения (ИЗ) с дополнительным взвешиванием членов суммы с помощью весов аi
(11.3)
где
Таким образом, с помощью а, можно учесть разницу в характере воздействия различных веществ.
При использовании в расчетах взвешенного среднего ариф-метического формула имеет вид:
(11.4)
При квадратическом осреднении, которое подчеркивает вклад веществ с наиболее высокими по отношению к их ПДК концентрациями, расчет ведут по формуле:
(11.5)
Существует методика расчета ИЗ, учитывающая класс опасности загрязняющих веществ. Часто в качестве ИЗ используют максимальный показатель из числа полученных:
(11.6)
На рис. 11.2 показаны значения индексов при арифметическом, геометрическоми квадратическомосреднении в случае присутствия в воздухе пяти примесей с различной концентрацией:
Рис. 11.2. Индексы загрязнения воздуха при различных видах функции ф (по О. Ф. Ба-лацкому и др., 1984)
Расчеты индексазагрязнения природных вод(ИЗВ) также могут быть выполнены несколькими методами.
Приведем в качестве примера метод, рекомендованный нормативным документом -
Измеренные концентрации загрязняющих веществ группируют по ЛПВ (органолептическому, токсикологическому и общесанитарному). Затем для первой и второй (органолептический и токсикологический ЛПВ) групп рассчитывают степень отклонения [Аi] фактических концентраций веществ [Сi] от их ПДК, так же, как и для атмосферного воздуха (11.1). Далее находят суммы показателей А, для первой и второй групп веществ:
(11.7)
где S - сумма Аi для веществ, нормируемых по органолептическому (Sорг) и токсикологическому [Sтокс] ЛПВ; п - число суммируемых показателей качества воды.
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Кроме того, для определения ИЗВ используют величину растворенного в воде кислорода и БПК20 (общесанитарный ЛПВ), бактериологический показатель - число лактозоположительных кишечных палочек (ЛПКП) в 1 л воды, запах и привкус. Индекс загрязнения воды определяется в соответствии с гигиенической классификацией водных объектов по степени загрязнения.
Сопоставляя соответствующие показатели (Sорг, Sтокс, БПК20 и т. д.) с оценочными (табл. 11.4), определяют индекс загрязнения, степень загрязнения водного объекта и класс качества воды. Индекс загрязнения определяют по наиболее жесткому значению оценочного показателя. Так, если по всем показателям вода относится к I классу качества (ИЗВ = 0), но содержание кислорода в ней меньше 4,0 мг/л (но больше 3,0 мг/л), то ИЗВ такой воды следует принять за 1 и отнести ее ко II классу качества (умеренная степень загрязнения).
Таблица 11.4 Гигиеническая классификация водных объектов по степени загрязнения (по СанПиН-4630-88)
В службах Росгидромета РФ для оценки качества воды используют методику расчета ИЗВ только по четырем химическим ингредиентам, концентрация которых в воде наибольшая. При этом выделяют не 4, а 7 классов качества:
I - очень чистая вода (ИЗВ = 0,3);
II - чистая (ИЗВ = 0,3-1,0);
III - умеренно загрязненная (ИЗВ =1,0- 2,5);
IV - загрязненная (ИЗВ = 2,5 - 4,0);
V - грязная (ИЗВ = 4,0 - 6,0);
VI - очень грязная (ИЗВ = 6,0 - 10,0);
VII - чрезвычайно грязная (ИЗВ более 10,0).
На рис. 11.3 приводится карта-схема оценки качества поверхностных вод Санкт-Петербурга и Ленинградской области, выполненная в соответствии с данной методикой расчета ИЗВ. Однако оценка качества воды по этой методике может вводить в заблуждение в тех случаях, когда наивысшие концентрации в воде имеют природные вещества (фенолы, марганец, железо), которые свидетельствуют не о загрязнении воды, а о ее изначальной непригодности для некоторых видов водопользования.
Рис. 11.3. Качество поверхностных вод Санкт-Петербурга и Ленинградской области (по данным Ленкомэкологии, 1997 г.)
От степени загрязнения воды водного объекта зависят виды водопользования (табл. 11.5).
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
Таблица 11.5 Возможные виды водопользования в зависимости от степени загрязнения водного объекта (по СанПиН-4630-88)
имеет особое значение в глобальной системе мониторинга окружающей среды и, в первую очередь, в мониторинге возобновляемых ресурсов биосферы. Он включает наблюдения за экологическим состоянием наземных, водных и морских экосистем.
В качестве критериев, характеризующих изменения состояния природных систем, могут быть использованы: сбалансированность продукции и деструкции; величина первичной продукции, структура биоценоза; скорость круговорота биогенных веществ и др. Все эти критерии численно выражаются различными химическими, биологическими или другими показателями. Так, изменения в растительном покрове Земли могут определяться изменением площади лесов.
Финансовое и материально-техническое обеспечение
охраны окружающей природной среды осуществляется из нескольких источников: государственный бюджет; внебюджетные экологические фонды; средства предприятий, учреждений и организаций. Мероприятия по охране окружающей природной среды и природопользованию выполняются на основе государственной экологической программы с учетом природно-ресурсного потенциала отдельных регионов. Финансирование экологических программ в федеральном, республиканских и других бюджетах должно выделяться отдельной строкой (ст. 16 Закона ООПС).
Несмотря на то, что в последние годы в России принято более 30 различных законодательных и нормативных актов, решений и постановлений федерального и регионального уровней по экономическому регулированию природопользования, в стране ежегодно снижаются совокупные затраты на охрану природы. Так, с 1992 г. объемы затрат снизились на 60 %, при этом удельный вес затрат в валовом национальном продукте (ВНП)
составляет не более 2 %, из них капиталовложения - 0,5 %. В промышленно развитых странах капиталовложения в охрану природы держатся на уровне 2-3 % от ВНП.
Рис. 11.7. Перечень основных природных кадастров, реестров и ведущих их организаций
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
Общая сумма затрат на природоохранные мероприятия в России в 1995 г. составила в текущих ценах 42,6 трлн р. При этом капиталовложения по сравнению с 1994 г. снизились на 2,8 %, в то время как в США такие расходы возрастают год от года. По оценкам экспертов ООН, после 2000 г. они составят 5 % от ВНП.
Платы за пользование природными ресурсами и загрязнение окружающей среды- новый институт, введенный в период рыночной реформы после отмены исключительной государственной собственности на землю и другие ресурсы и превращения их в объекты гражданско-правовых сделок. Предполагается, что платность природных ресурсов повысит материальную заинтересованность производственников в их эффективном использовании и сохранении, появятся дополнительные средства на их восстановление и воспроизводство. Законом РФ ООПС (ст. 20) предусмотрены два вида платы: за пользование природными ресурсами и за загрязнение окружающей среды.
Назначение платы за загрязнение окружающей природной среды - компенсация причиняемого вреда, стимуляция сокращения выбросов и экономическое обеспечение оздоровления и охраны окружающей природной среды.
Закон ООПС предусматривает два вида платы за загрязнение: 1) за выбросы, сбросы вредных веществ и размещение отходов в пределах установленных лимитов; 2) за выбросы, сбросы и размещение отходов сверх установленных лимитов либо без разрешения.
Порядок установления платы включает три этапа: определение базовых нормативов, дифференцированных ставок и расчетов конкретных размеров платежей.
Базовые нормативы определяются по видам загрязняющих веществ, сбрасываемых в атмосферу и водоемы, или вредных воздействий: шум, вибрация, электромагнитные колебания и др. Они устанавливаются: в пределах нормативов; сверх установленных нормативов, но в пределах лимитов и в виде временно согласованных выбросов (ВДВ) и сбросов (ВДС).
Дифференцированные нормативы устанавливаются на основе базовых, но с поправкой на экологическую ситуацию в регионах. Эти платы рассчитываются путем умножения базовых ставок на региональные экологические коэффициенты, отражающие природно-климатические, экономические особенности и значимость охраняемых природных объектов (территорий, бассейнов рек, морей и др.).
Конкретные размеры платежей предприятий-загрязнителей определяются местными исполнительными органами с участием органов охраны природы, санэпиднадзора и самого предприятия. С учетом экологической ситуации местные исполнительные органы вправе повышать коэффициенты экологической значимости: в крупных промышленных городах - до 20 %, а в зонах экологических бедствий и на особо охраняемых территориях (национальные парки, заповедники, курорты) - до 100%. Эти платежи производятся за счет себестоимости продукции, а за превышение лимитов - за счет прибыли предприятия.
Из общей суммы платежей 10 % перечисляются в федеральный бюджет, а 90 % - в экологические фонды. Существенны еще два обстоятельства. Во-первых, платежи за загрязнения носят налоговый характер, поэтому могут взиматься в безакцептном порядке. Во-вторых, если платежи предприятия равны прибыли или превышают ее, то можно рассматривать вопрос о приостановлении или прекращении деятельности данного хозяйствующего субъекта.
Экологические фондыобразуются из внебюджетных средств, поступающих от организаций, граждан, иностранных юридических лиц; из платежей за выбросы и сбросы загрязняющих веществ и размещение отходов; из сумм, полученных по искам, штрафов, за счет средств от реализации конфискованных орудий охоты и рыболовства. Эти средства зачисляются на специальные счета и распределяются на реализацию природоохранных мероприятий (рис. 11.8).
Под экономическим ущербом, наносимым окружающей среде, понимают фактические и возможные убытки, причиняемые в результате ухудшения ее качества, и дополнительные затраты на компенсацию этих убытков и восстановление природной среды.
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Необходимо различать затраты: на предотвращение ущербов и на компенсацию убытков.Затраты по предотвращению вредных воздействий (строительство очистных сооружений, изменение технологии, предварительное удаление серы и других вредных соединений из топлива, нейтрализация стоков и др.) ведут к снижению экономического ущерба и не относятся к категории самого ущерба.
Социальный, моральный, эстетический ущербы сегодня практически не оцениваются. Поэтому расчетный экономический ущерб всегда занижен по отношению к реально существующему.
Факторы, формирующие экономический ущерб,делятся на три группы: факторы влияния, восприятия и состояния.
Факторы влияния - это уровень и характер антропогенных воздействий. Например, в случае загрязнения атмосферного воздуха - это концентрация и степень опасности вредных веществ; технические особенности источника выбросов (скорость и температура газов на выходе, высота трубы и др.); климатические и топологические особенности и т. д. При шумовом загрязнении - это уровень и частота звуков, при термальном - изменение температуры воды водоема и т. п.
Факторы восприятия - это основные объекты, попадающие в зону влияния и воспринимающие негативные воздействия: население, коммунальные хозяйства, городские застройки, сельскохозяйственные и лесные угодья, основные фонды промышленности, транспорта, связи, природные экосистемы и др.
Факторы состояния - это экономические показатели, используемые для перевода изменений в обществе и природе в стоимостные оценки. Основные из них: стоимость единицы продукции, производимой одним работником за день; выплаты по больничным листам; стоимость жилищно-коммунального хозяйства и транспорта на 1000 человек; стоимость единицы утилизированного сырья; потери прибыли от рекреации при разрушении экосистем и др.
подразделяются на методы прямого счета, аналитический и
эмпирический. Первые два метода требуют сбора и обработки огромного объема информации (рис. 11.9).
Рис. 11.9. Схема сбора информации (по О. Ф. Балацкому и др., 1984)
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
Метод прямого счета основан на сравнении показателей загрязненного и условно чистого районов.
Аналитический метод базируется на получении математических зависимостей (многофакторный анализ) показателей состояния экономической системы от качества окружающей среды.
Эмпирический метод заключается в том, что зависимость ущербов от уровня воздействий, полученная двумя первыми методами для частных объектов, обобщается и используется для аналогичных ситуаций. В результате вырабатывается методика, в основе которой лежат эмпирические оценки удельных ущербов.
Методы прямого счета и аналитический на практике служат лишь инструментом для создания информационной базы при разработке эмпирической методики.
В общем виде принцип расчета определения ущерба у можно выразить формулой
(11.12)
где i - вид хозяйственной деятельности; Кi - количество единиц основного расчетного элемента факторов восприятия (1000 чел. - для здравоохранения и коммунального хозяйства, 1 га - для лесного и сельского хозяйства и т. д.); уi\х) - удельный ущерб, наносимый единице основного расчетного элемента от частного антропогенного воздействия х. В качестве х могут приниматься концентрации вредных веществ, валовые выбросы или другие показатели.
Если в расчетах используются концентрации С, они могут выражаться либо в обычных единицах измерений (г/м3, мг/л, г/кг и т. д.), либо в виде степени отклонения их от ПДК (С/ПДК). Но всегда должно соблюдаться единство методологии и информационной базы. Это означает, что, независимо от используемой методики, результаты для одного и того же предприятия должны быть сопоставимы.
Методики расчета экономического ущерба выбираются в зависимости от необходимой точности расчетов, размеров региона, технических возможностей и других условий. Они могут различаться по степени учета отдельных факторов и форме построения (рис. 11.10).
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
В качестве примера приведем методику оценки ущерба по валовым атмосферным выбросам, разработанную Сумским филиалом Харьковского политехнического института. Методика предусматривает оценку ущерба от источника загрязнения по трем ингредиентам: пыли, диоксиду серы (S02) и оксиду углерода (СО). Удельные ущербы на 1 т загрязняющего вещества задаются по семи зонам средних концентраций, на которые разбивается район, прилегающий к источнику выброса. Расчет ведется по формуле
(11.13)
где y - ущерб по валовым атмосферным выбросам; z - вид загрязняющих веществ [z = 1, 2, 3...k); Mz- суммарное количество z-ro загрязняющего вещества, тыс. т; j- зона средних концентраций загрязняющего вещества z (j = 1, 2, З...л); уizj - удельный ущерб в j-й зоне на 1000 т загрязняющего вещества z в год, наносимый расчетной единице факторов восприятия (локальные ущербы здоровью населения, коммунальному, сельскому и лесному хозяйствам, промышленности и др.); Rizj- количество расчетных единиц факторов восприятия, попадающих в /ю зону загрязнения z.
В отечественной практике накоплен опыт оценки удельных ущербов. Получены показатели ущерба на 1 т выбросов для предприятий черной металлургии, медеплавильных и коксохимических производств. Существуют оценки удельных ущербов в теплоэнергетике и алюминиевых производствах. Разрабатываются методы оценки удельных ущербов для других предприятий на единицу материальных и энергетических ресурсов при выбросах в атмосферный воздух и водные объекты.
Так, на основании данных, полученных на 38 объектах черной и цветной металлургии, сделана оценка экономического ущерба от промышленных загрязнений по стадиям производства и потребления металлопродукции: геологоразведка - 2 % (нарушение массива пород, загрязнение ландшафта и т. п.); добыча руд - 20 % (изъятие угодий, загрязнение территорий, водного и воздушного бассейнов и т. д.); обогащение руд - 20 % (те же нарушения); переработка сырья - 50 % (то же); обработка металлов и получение продукции - 5 %; использование металлопродукции - 1 %.
Прогнозирование экономических ущербовосновывается на зависимостях показателей удельных локальных ущербов от факторов влияния и состояния в базовом году и тенденций их изменения. Прогностический расчет выполняется по формуле
(11.14)
Формулу можно использовать для ретроспективных (лат. retroospicera -глядеть назад) и межрегиональных расчетов.
Однако объем знаний, которым мы располагаем сегодня, не позволяет учесть зависимости факторов в будущем, что предопределяет необходимость использования в прогнозах зависимостей базового периода. Поэтому возможный горизонт прогнозирования составляет около 20 лет. Однако во всех случаях все издержки, связанные с решением проблемы загрязнения и деградации окружающей среды, необходимо включать в рыночную стоимость товаров и услуг.
Экономическая эффективность природоохранных мероприятийопределяется на основании анализа деятельности в базовом году одного предприятия или целой отрасли. Частично эффект природоохранных мероприятий находит отражение в улучшении показателей предприятия: утилизируется ценное сырье, улучшаются условия труда, снижаются заболеваемость и текучесть кадров, повышается производительность труда и т. д. Но основная часть экономического эффекта мероприятий выходит за отраслевые рамки.
Экономическая эффективность технических природоохранных мероприятий (очистные сооружения, безотходные технологии и др.) оценивается, прежде всего, по повышению эффективности производства.
Показателем экономической эффективности средозащитных затрат является отношение среднего годового объема полного
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
экономического эффекта к сумме всех эксплуатационных расходов и капитальных вложений, приведенных к одинаковой размерности:
(11.15)
где Э3 - экономическая эффективность средозащитных затрат; Э.. - экономический эффект от предотвращения локального ущерба ко вида (i= 1, 2, 3 ... л) на /м объекте (j = 1, 2, 3 ... m); СH - годовые эксплуатационные расходы на основные фонды, обеспечившие полный экономический эффект; КH - капитальные вложения в строительство средозащитных сооружений; ЕH - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений средозащитного назначения; Н - подстрочный индекс (Сн, Кн, Ен), означает соответствие нормативам.
Методикой предусматривается и оценка экономической эф-фективности капитальных вложений в природоохранные мероприятия (Эк):
(11.16)
Полный экономический эффект обычно оценивается приростом национального дохода, который является конечной целью при реализации средств на защиту окружающей среды.
Он может быть выражен как разность между полными затратами на функционирование хозяйственного комплекса с учетом природоохранных мероприятий (3) и существующими затратами (3"). Полные затраты (для сравниваемых вариантов) можно выразить суммой затрат на природоохранные мероприятия (3М) и производственных затрат в подразделениях, на которые распространяется эффект от внедрения мероприятия (Зп):
(11.17)
Разность последних слагаемых каждого варианта представляет собой снижение экономического ущерба , наносимого хозяйственной деятельности и населению:
(11.18)
Таким образом, прирост национального дохода (ДД) составит
(11.19)
или
(11.20)
где- дополнительные траты на природоохранные мероприятия, приведшие к А у.
В конечном счете полный экономический эффект от затрат на охрану природыможно выразить через снижение эконо-
мического ущерба:
(11.21)
Показателем экономической эффективности сравниваемых вариантов является минимум совокупных годовых эксплуатационных расходов и капитальных вложений:
(11.22)
Значение Ен для капитальных вложений при отсутствии отраслевых инструкций принимается равным 0,15.
При проведении мероприятий с долгосрочным эффектом (восстановлении лесных насаждений, рекультивации земель, воспроизводстве рыбных запасов и др.) и изменением во времени эксплуатационных расходов и капитальных вложений полные затраты (приведенные к началу расчетного периода) определяются по формуле
где Кн - первоначальные капиталовложения в мероприятия; - дополнительные капиталовложения для обеспечения работы средозащитных сооружений в t-й год эксплуатации (/= 1, 2, 3 ... t); Снt - эксплуатационные расходы на основные фонды в t-й год; Енп -нормативный коэффициент приведения разновременных затрат (0,08 - для обычных затрат; 0,10 - для затрат на новую технику; 0,03 - затраты на восстановление лесных насаждений и др.), принимаемый в соответствии с отраслевыми инструкциями.
При разработке природоохранных мероприятий на вновь создаваемых объектах за базу сравнения рекомендуется принимать показатели лучших из имеющихся решений; при модернизации и реконструкции - показатели данного состояния объекта; при внедрении новой техники - характеристики лучшего отечественного или зарубежного технологического оборудования.
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
11.3. Инженерная защитаПриродоохранные мероприятия окружающей средыможно классифицировать по двум
основным направлениям: 1) мероприятия, проводимые с целью предотвращения негативных воздействий на окружающую среду; 2) мероприятия, направленные на ликвидацию последствий вредных воздействий.
Инженерные природоохранные мероприятияделят на две группы.
Мероприятия, снижающие выброс загрязняющих веществ и уровень вредных воздействий:
- совершенствование технологических процессов и внедрение малоотходных технологий;
- изменение состава и улучшение качества используемых ресурсов (удаление серы из топлива, переход с угля на нефть или газ, с бензинового топлива - на водородное и др.);
- установка очистных сооружений с последующей утилизацией улавливаемых отходов;
- комплексное использование сырья и снижение потребления ресурсов, производство которых связано с загрязнением среды;
- научно-исследовательские и научно-технические разработки, результаты которых делают возможным и стимулируют внедрение перечисленных выше мер;
- разработка стандартов на качество окружающей природ
ной среды, оценка экологической аккумулирующей емкости эко
систем, проектирование новых технологий, создание системы
эколого-экономических показателей и нормативов хозяйственной
деятельности и др.
Мероприятия, позволяющие снижать степень распространения сбрасываемых загрязняющих веществ и других вредных воздействий:
- строительство высоких и сверхвысоких труб для выбросов
загрязняющих веществ в атмосферу, выпусков сточных вод различ-
ных конструкций для оптимизации условий их разбавления и др.;
- нейтрализация выбросов, их захоронение и консервация;
- доочистка используемых ресурсов перед поступлением потребителю (установка кондиционеров и воздуховодов для очистки воздуха в помещениях, метро, очистка водопроводной воды и др.);
- устройство санитарных охранных зон вокруг промышленных предприятий и на водных объектах, озеленение городов и поселков;
- оптимальное расположение промышленных предприятий и автотранспортных магистралей (с учетом гидрометеорологических факторов) для минимизации их отрицательных воздействий;
- рациональная планировка городской застройки с учетом розы ветров, шумовых нагрузок и др.
Большое значение имеет рациональное распределение средств между двумя рассмотренными направлениями. Если десять-двад-цать лет назад во многих отраслях предпочтение часто отдавалось более дешевым и эффективным с позиций отдельного района мероприятиям второй группы, то теперь чаще применяются мероприятия первой группы.
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
ций сухих и мокрых электрофильтров. В зависимости от формы электродов различают трубчатые и пластинчатые электрофильтры (рис. 11.12).
Очистка выбросов от газообразных вредных примесейосуществляется с использованием: 1) абсорбции лат.
absorptio - всасывание, растворение) -
растворения выбросов в жидких растворителях; 2) хемо- сорбции - химического связывания примесей растворами реагентов; 3) адсорбции лат.
adsorbere- поглощение) - поглощения
Рис. 11.12. Пластинчатый электрофильтр
примесей твердыми активными веществами; 4) каталитических методов - химических превращений примесей в присутствии катализаторов.
Абсорбция проводится в термических или вакуумных де-сорберах. Узлы абсорбции и десорбции могут быть разных конструкций (рис. 11.13).
Абсорбция зависит от растворимости в поглощающей жидкости удаляемого газа, температуры и его парциального давления. Например, для удаления из технологических выбросов аммиакахлорводорода или фторводорода целесообразно в качестве абсорбен- та применять воду, так как ра-
Рис. 11.13. Схема абсорбции и десорбции
газов створимость этих газов в воде
велика - сотые доли грамма на 1 кг воды. Для улавливания водяных паров можно применять раствор серной кислоты, а для улавливания ароматических углеводородов - вязкие масла и др. Регенерация растворителя, т. е. десорбция из него газов, проводится путем повышения температуры или понижения давления.
Хемосорбция основана на поглощении газов реагентами с образованием малолетучих или малорастворимых соединений. Примером может служить очистка газовоздушной смеси от сероводорода с применением мышьяково-щелочного реагента:
Регенерация раствора производится окислением его кислородом, содержащимся в очищенном воздухе:
В этом случае побочным продуктом является сера. Могут применяться и другие реагенты и иониты. Иониты - это твердые вещества, способные обмениваться ионами с фильтруемыми через них жидкими или газообразными смесями. Это или природные материалы (цеолиты или глины), или синтетические полимеры (смолы). Например, при фильтровании газовой смеси, содержащей аммиак , через влажный ионит катионного типа (катионит) происходит присоединение аммиакак катиониту:
Подобные реакции происходят и при удалении диоксида серыиз газовой смеси с помощью ионитов анионного типа
(анионитов):
Регенерация ионитов осуществляется промывкой их водой, слабыми растворами кислот (для катионитов), щелочей или содой (для анионитов).
Последние два метода называют мокрыми. Основной их недостаток - резкое понижение температуры газов, что приводит к снижению эффективности их рассеивания в атмосфере.
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
Адсорбция - процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси твердыми веществами. При физической адсорбции молекулы адсорбента не вступают в химическое взаимодействие с молекулами газовой смеси. Требования к адсорбентам: большая адсорбционная способность, селективность (лат. selectio - выбор, отбор), химическая инертность, механическая прочность, способность к регенерации, низкая стоимость. Наиболее распространенные адсорбенты - активированные угли, силикагели, алюмосиликаты. С увеличением температуры адсорбционная способность снижается. На этом свойстве основан процесс регенерации, которую осуществляют либо нагревом насыщенного адсорбента до температуры выше рабочей, либо продувкой его горячим паром или воздухом.
Каталитические методы очистки газов основаны на использовании катализаторов, ускоряющих химические реакции. В последние годы каталитические методы применяются для нейтрализации выхлопных газов автомобилей, т. е. превращения токсичных оксидов азота и углерода в нетоксичные вещества:
газообразный азот и диоксид углерода При этом
используют различные катализаторы: медно-никелевый сплав, платину на глиноземе, медь, никель, хром и др.:
Очистка сточных вод.Б зависимости от типа процессов, протекающих в очистных сооружениях, различают механическую, физико-химическую и биологическую очистку сточных вод. На очистных сооружениях образуются большие массы осадков, которые подготавливают к дальнейшему использованию: обезвоживают, сушат, обезвреживают и обеззараживают. При необходимости сточные воды, прошедшие сооружения полной биологической очистки, подвергают доочистке. После очистки, перед сбро-
сом в водоемы, сточные воды должны обеззараживаться с целью уничтожения патогенных микроорганизмов.
Механическая очисткапредназначена для задержания не-растворенных примесей. К сооружениям для механической очистки относятся: решетки и сита (для задержания крупных примесей), песколовки (для улавливания минеральных примесей, песка), отстойники (для медленно оседающих и плавающих примесей) и фильтры (для мелких нерастворенных примесей). Специфические загрязнения производственных сточных вод удаляются с помощью жироловок, нефтеловушек, масло- и смолоуловителей и др. (рис. 11.14).
Рис. 11.14. Технологическая схема очистной станции с механической очисткой сточных вод
Очистные сооружения располагаются по высоте обычно таким образом, чтобы вода из одного в другое поступала самотеком. Механическая очистка - это, как правило, предварительная ступень перед биологической очисткой. В некоторых случаях
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
можно ограничиться механической очисткой: например, если небольшое количество сточных вод сбрасывается в очень мощный водоем, или, если вода после механической очистки повторно используется на предприятии. При механической очистке удается задерживать до 60 % нерастворенных примесей.
Физико-химические методыприменяются, в основном, для очистки производственных сточных вод (в случае бытовых стоков их применение ограничено по экономическим соображениям). К этим методам относятся: реагентная очистка (нейтрализация, коагуляция, озонирование, хлорирование и др.), сорбция, экстракция(лат. extrahere - извлекать), эвапорация (лат. evaporatio - выпаривание),
флотация, электродиализ и др. (рис. 11.15).
Рис. 11.15. Технологическая схема очистной станции с физико-химической очисткой сточных вод
Наибольшее распространение находят методы реагентной очистки с применением коагулянтов, в качестве которых используют сернокислый алюминий, хлорное железо, серно-
кислое железо известь и др. Соли-коагулянты
способствуют укрупнению частиц, образуя хлопья, что делает возможным дальнейшее осаждение и фильтрование мелких нерастворенных, коллоидных и частично растворенных примесей. В ряде случаев физико-химическая очистка обеспечивает такое глубокое удаление загрязнений, что последующая биологическая очистка не требуется.
Биологическая очисткасточных вод основана на биохимических процессах с участием микроорганизмов, которые в процессе своей жизнедеятельности разрушают органические соединения и минерализуют их. Микроорганизмы используют органические вещества в качестве источника питательных веществ и энергии. Сооружения биологической очистки условно делят на два типа: сооружения, в которых процессы протекают в условиях, близких к естественным, и те, в которых очистка происходит в искусственно созданных условиях. К первым относятся поля фильтрации и биологические пруды, ко вторым - биофильтры и аэротенки.
Поля фильтрации - это земельные участки, искусственно разделенные на секции, по которым равномерно распределяется сточная вода, фильтрующаяся через поры грунта. Профильтрованная вода собирается в дренажных трубах и канавах и стекает в водоемы. На поверхности почвы образуется биологическая пленка из аэробных микроорганизмов, способных перерабатывать органические вещества. Кислород может проникать в грунт на глубину до 30 см; глубже разрушение органики осуществляется в результате жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов.
Биологические пруды - это специально созданные неглубокие водоемы, где протекают естественные биохимические процессы самоочищения воды в аэробных и анаэробных условиях. Пруды сооружаются как для первичной биологической очистки, так и
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
для доочистки сточных вод после биофильтров и аэротенков. Насыщение воды кислородом происходит вследствие естественной атмосферной аэрации и фотосинтеза, но может применяться и искусственная аэрация.
Биофильтры - сооружения, в которых создаются условия для интенсификации естественных биохимических процессов разложения органических веществ. Это резервуары с фильтрующим материалом, дренажем и устройством для распределения воды. Сточная вода с помощью распределительных устройств периодически разливается по поверхности загрузки, профильтровывается и отводится во вторичный отстойник. На поверхности фильтра постепенно созревает биопленка из различных микроорганизмов, которые выполняют ту же функцию, что и на полях фильтрации, т. е. минерализуют органические вещества. Отмершая биопленка смывается водой и задерживается во вторичном отстойнике.
Аэротенки - это резервуары, в которые поступают сточная вода после механической очистки, активный ил и непрерывно подается воздух. Хлопья активного ила представляют собой биоценоз аэробных микроорганизмов-минерализаторов (бактерий, простейших, червей и др.). Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов необходима постоянная аэрация воды. Из аэротенка сточная вода в смеси с активным илом поступает во вторичные отстойники, где ил осаждается. Основная масса его возвращается в аэротенк, а вода подается в контактные резервуары для хлорирования - обеззараживания (рис. 11.16).
Доочистка сточных вод требуется, если по условиям водо-отведения перед сбросом в водоем необходимо дополнительно снизить концентрацию взвешенных веществ, азота, фосфора, БПК и др. Кроме того, доочистка необходима при повторном использовании сточных вод в технологических процессах. Для доочистки от взвешенных веществ применяют: микрофильтры, фильтры с плавающей загрузкой, установки для пенной флотации и др. Для снижения БПК используют коагуляционные, сорбционные и озона-
Рис. 11.16. Технологическая схема станции с биологической очисткой сточных вод |
торные установки в сочетании с фильтрами. Доочистку от азота и фосфора применяют для предотвращения эвтрофирования водоемов и обрастания трубопроводов и аппаратов водорослями. Для удаления фосфора широко практикуют реагентный метод с использованием извести, сульфатов алюминия и железа. Минеральные соединения азота (нитриты, нитраты и соли аммония) удаляют с помощью физико-химических методов: отдувки аммиака, ионного обмена, адсорбции, электролиза, озонирования, обратного осмоса, электродиализа, дистилляции и др. В последнее время все чаще используют биологические методы: нитрификацию с последующей денитрификацией и биофиксацию фосфора.
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Обеззараживаниеявляется заключительным этапом обработки сточных вод перед сбросом в водоем. Наибольшее распространение получил способ дезинфекции воды путем хлорирования газообразным хлором или хлорной известью . Применяют также электролизные установки для получения гипохлорита натрия из поваренной солиВозможно обеззараживание и другими бактерицидными веществами, ультразвуком и ультрафиолетовыми лучами.
Малоотходное производство.Для кардинального решения проблем экологии, снижения ресурсо- и энергоемкости производства необходимо развивать технологии утилизации вторичного сырья, полностью использовать все, что добывается из недр, на основе комплексной переработки, т. е. перестроить производство таким образом, чтобы оно стало максимально безотходным, экологически чистым и экономически выгодным. Малоотходные технологии заимствуют свои принципы у природы: отходы одних организмов являются важнейшим ресурсом для других. Например, харьковскими учеными создана технология извлечения графита из копоти металлургических заводов; ее внедрение позволяет отказаться от добычи графитовых руд, исключить складирование отходов производства, улучшить состояние атмосферы. Наиболее рациональным решением проблемы охраны водоемов от загрязнения сточными водами является создание замкнутых систем водоснабжения и водоотведения промышленных предприятий, т.е. использование очищенных сточных вод в системах оборотного водоснабжения. При этом свежая вода забирается из источников водоснабжения только для питьевых целей.
Городские сточные воды также иногда используют повторно на предприятиях разных отраслей. Использование биологически очищенных сточных вод в оборотных системах водоснабжения позволяет частично или полностью отказаться от свежей воды. Доля сточных вод в подпитке оборотных систем может составлять от 5 до 100 %. Замкнутые и оборотные системы водоснабжения -
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
основа бессточных предприятий с локальными очистными установками, повторным использованием сточных вод и рекуперацией отходов (рис. 11.17).
Рис. 11.17. Схема малоотходной технологической системы производства
Конечная цель ресурсосберегающего производства достигается при прохождении нескольких ступеней переработки отходов всех видов. Система малоотходна, если на n-й стадии производства выделяемые отходы незначительно воздействуют на окружающую среду. Она считается практически безотходной, когда отходы n-й стадии вновь поступают в производство или становятся совершенно безвредными. Однако рециркуляция отходов не может решить все проблемы, так как требует больших затрат энергии, производство и использование которой, в свою очередь, приводят к загрязнению, деградации окружающей среды и рассеиванию тепла.
Утилизация и ликвидация твердых отходов.В древние времена отходы жизнедеятельности человека возвращались непосредственно на поля, в природу и участвовали в естественных круговоротах веществ. Урбанизация породила проблему санитарии, решение которой с помощью очистных сооружений создало проблему хранения, переработки и утилизации твердых отходов.
Обезвреживание и утилизация твердых бытовых и промышленных отходов - последняя ступень очистки. На решетках задер-
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
живаются грубые отбросы (тряпки, бумага, остатки продуктов и пр.), которые вывозят на свалки или после дробления направляют в специальные сооружения. Песок из песколовок поступает на песковые площадки для обезвоживания, а затем вывозится и используется по назначению.
Методы обезвреживания твердых отходов делятся на ликвидационные (решают санитарно-гигиенические задачи) и утилизационные (решают задачи экологии и экономики).
Выделяют биологическиеметоды (разрушение органической части микроорганизмами), термические(сжигание), химические(гидролиз), механические(прессование с применением связующих на полигонах). Разрез полигона для захоронения твердых отходов показан на рис. 11.18.
Рис. 11.18. Разрез полигона для твердых отходов: 1 - лесозащитная полоса; 2 - промежуточный изолирующий слой; 3 - твердые отходы; 4 - укрывающий наружный слой растительного грунта; 5 - естественное или искусственное водоупорное основание (по М. И. Алексееву, Е. М. Протасовскому, 1990)
Большая часть твердых промышленных отходов токсична, поэтому захоранивать их нужно в толще глины.
Особо вредные промышленные отходы принимают на полигон в герметически упакованных металлических контейнерах и захоранивают в глубоких котлованах. Кроме технологического паспорта, с каждой партией направляются два акта: в одном подтверждается герметичность упаковки контейнера, в другом
указываются название отходов, их количество и причины списания с учета. Контейнеры автокраном спускают на дно котлована. Каждый контейнер со всех сторон засыпают слоем глины (0,5 м). Сверху располагают следующий ряд контейнеров. Размеры котлованов по низу 10x4 м, по верху - 18x12 м, глубина - 4 м в глине, сверху они также засыпаются слоем глины. Выбор метода для конкретного города зависит от местных условий и осуществляется на основе технико-экономического сравнения.
Обработка и утилизация осадков сточных водявляется очень острой проблемой для крупных городов всех высокоразвитых стран. В процессе очистки взвешенные вещества, содержащиеся в сточных водах, выпадают в осадок в сооружениях механической очистки. Количество сырого осадка напрямую зависит от содержания взвешенных частиц в воде и качества очистки: чем выше качество очистки, тем больше образуется осадка. На очистных станциях с биологической очисткой, кроме сырого осадка, образуется активный ил, количество которого по сухому веществу может достигать 50 % от общего объема осадка.
Технические трудности, экологическая опасность и огромные затраты (почти половина эксплуатационных расходов), связанные с транспортировкой, хранением и утилизацией осадков, ставят проблему обработки и утилизации осадков сточных вод в ряд глобальных.
Перед утилизацией осадок должен подвергаться предварительной обработке. Цель обработки - уменьшение влажности и объема осадка, неприятного запаха, количества патогенных микроорганизмов (вирусов, бактерий, гельминтов и др.) и вредных веществ; снижение затрат на транспортировку и обеспечение экологически безопасного конечного использования.
Для обработки осадков строят специальные сооружения: ме-тантенки, аэробные стабилизаторы, различные установки для обезвоживания и сушки, иловые площадки.
Метантенки - это герметически закрытые резервуары, где анаэробные бактерии в термофильных условиях (/° = 30-43 °С)
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
сбраживают сырой осадок из первичных и вторичных отстойников. В процессе брожения выделяются газы: , водородуглекислый газ , аммиаки др., которые могут затем использоваться для разных целей.
Осадки сточных вод, выгружаемые из метантенков, имеют влажность 97 % и неудобны для утилизации. Для уменьшения их объема применяют обезвоживание на иловых площадках или вакуум-фильтрах, центрифугах и других сооружениях. В результате обезвоженный осадок уменьшается в объеме в 7-15 раз и имеет влажность 50-80 %.
Аэробные стабилизаторы - это резервуары, где органическая часть длительное время минерализуется аэробными микроорганизмами при постоянной продувке воздухом. Обработанный осадок обычно складируется на иловых площадках и затем используется как удобрение.
Но традиционный и наиболее удобный способ утилизации осадков в качестве удобрений в конце XX столетия стал весьма проблематичным, так как через системы водоотведения в осадок попадают вредные вещества от промышленных предприятий и из атмосферы. Кроме того, в быту используется большое количество вредных химических веществ. Осадок служит также источником инфекционных болезней.
Очевидно, что складируемые осадки, содержащие соли тяжелых металлов, загрязненные патогенной микрофлорой, яйцами гельминтов, вирусами, представляют экологическую опасность и требуют неординарного подхода к режиму размещения и утилизации.
Определенную опасность представляет и миграция вредных веществ в грунтовые воды. Сооружение гидронепроницаемых экранов и искусственное затвердение зеркала полигона требуют особого внимания и больших затрат. Кроме того, иловые площадки и полигоны сами могут быть источниками выделения вредных веществ в атмосферу. Эмиссия газов происходит также из почв бывших свалок, полигонов и при транспортировке отходов.
Объемы и характер загрязнений атмосферы в полной мере зависят от параметров технологического процесса обработки осадков и, в первую очередь, от температурного режима. Высо-котемературные режимы сушки осадков могут вызвать проблему очистки газовых выбросов.
Изучение отечественного и мирового опыта показывает, что разнообразие технологий обработки и утилизации осадков чрезвычайно велико. Физические, химические и биологические методы позволяют получить из осадков различные продукты для использования в промышленности, однако, большинство рекомендаций применимы лишь для переработки малых объемов осадков, основаны на сложных технологиях, требуют большого количества реагентов, огромных инвестиций и нередко вызывают вторичные экологические проблемы.
При больших объемах осадков используются в основном две категории методов: термическая сушка и сжигание. При термической сушке сохраняются органические вещества, используемые в качестве удобрений. При сжигании осадков органические вещества превращаются в газообразные продукты.
Для крупных очистных станций, осадки которых могут применяться в качестве удобрений, рационально использовать термическую сушку. Если применение осадков в сельском хозяйстве недопустимо из-за повышенного содержания опасных токсикантов, единственным способом, максимально сокращающим объем осадков и обеспечивающим наибольшие экономический и экологический эффекты, является их сжигание.
В большинстве развитых стран наблюдается тенденция к увеличению объемов сжигаемых осадков. Главным стимулом к этому является рост цен на землю, что делает освоение новых технологий экономически более выгодным и экологически более эффективным, чем расширение территорий полигонов.
Сжигание осадковприменяется, если они не подлежат другим видам обработки и утилизации. Мировой опыт показывает, что 25 % образующихся на очистных сооружениях осадков
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
используется в сельском хозяйстве, 50 % размещается на полигонах и около 25 % сжигается. В связи с ужесточением санитарных требований к качеству осадков, уменьшается возможность использования их в сельском хозяйстве.
Первый в России и Восточной в Европе завод по сжиганию осадков сточных вод построен по инициативе одного из авторов этого учебника Ф. В. Кармазинова в Санкт-Петербурге.
Санкт-Петербург как самый большой город на побережье Балтийского моря несет особую ответственность за сохранение его чистоты.
В настоящее время очистка сточных вод города (примерно 2,2 млн м3/сут) осуществляется на трех очистных станциях по классической схеме полной биологической очистки, при которой образуется смесь сырого осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила (12-15 т/сут на 100 тыс. жителей). Осадки - это необеззараженная влажная (до 99,7 %) масса, содержащая до 70 % органических веществ. В условиях общесплавной канализации Петербурга в осадках городских стоков аккумулируется большое количество вредных химических соединений, в том числе 1-го и 2-го классов опасности. Высокие концентрации этих токсических веществ делают невозможным использование осадков сточных вод в качестве удобрений.
Многолетние попытки решить проблему утилизации с помощью различных технологий не дали положительных результатов.
До 1997 г. ежесуточно с трех станций аэрации города вывозилось на специальные полигоны около 1200 т обезвоженного осадка. Полигоны занимают более 150 га земли в пригородной зоне, ежегодно потребность в таких площадях возрастает на 8-10 га. За 20 лет эксплуатации станций аэрации на полигонах вокруг Санкт-Петербурга скопилось 4 млн т необеззараженных осадков.
После досконального изучения отечественного и мирового опыта (Австрия, Великобритания, Германия, Дания, Швеция, Швейцария, Финляндия и др.) в ГУП «Водоканал Санкт-Петер-
бурга» пришли к выводу, что оптимальным вариантом в условиях Санкт-Петербурга будет внедрение технологии сжигания осадка. При этом значительно сокращается количество осадка, резко уменьшаются площади для его складирования. Образующаяся зола используется в производстве строительных материалов и других отраслях, тепло, получаемое за счет теплотворной способности самого осадка, также утилизируется.
В этом грандиозном проекте главная роль была отведена Центральной станции аэрации (ЦСА). ЦСА, построенная в 1978 г., является первой в Санкт-Петербурге и одной из крупнейших очистных станций в мире. Очистные соружения ЦСА принимают и очищают около 60 % бытовых и промышленных стоков города. Она расположена в устье р. Невы на искусственно намытом острове Белом. Площадь застройки 57 га. Полная мощность станции (1,5 млн м3/сут) была достигнута в 1985 г. В состав ЦСА входят насосные станции, сооружения механической и биологической очистки.
До середины 90-х годов на станции действовал только цех механического обезвоживания осадка с помощью центрифуг. Обезвоженный до 80 %, но не обеззараженный осадок (кек) вывозился специально закупленным автомобильным транспортом в открытые хранилища, построенные в отчуждаемых из хозяйственного оборота пригородных землях. Это ухудшало экологическое состояние природной среды и условия проживания и отдыха населения в пригородной зоне.
В ноябре 1997 г. была введена в эксплуатацию первая очередь завода (рис. 11.19).
Последовательность операций по обработке осадка следующая:
- предварительная обработка на решетках;
- перемешивание осадка из первичных отстойников с активным илом и процеживание смеси на тонких решетках;
- обработка реагентом-флокулянтом и обезвоживание на центр-
прессах;
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
- транспортировка обезвоженных осадков к печам сжигания;
- сжигание в печах «Пирофлюид» с псевдосжиженным слоем песка (внутренний диаметр печей - 6,7 м, высота - 15,8 м, температура - производительность - 62,5 т/сут).
Рис. 11.19. Схема завода по сжиганию осадков сточных вод
Очистка газов от пыли осуществляется на электрофильтрах, а от вредных примесей - путем кислой и щелочной промывки. Эффект очистки газов - более 99 %, что удовлетворяет требованиям российских и европейских нормативов (табл. 11.7).
Таблица 11.7Эффективность обработки дымовых газов
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
При внедрении установок по сжиганию осадков сточных вод решаются следующие эколого-экономические задачи:
- прекращается вывоз необеззараженного осадка, что позволяет прекратить вырубку лесов для новых площадей складирования осадка;
- в печах в качестве топлива используются осадки сточных вод (природный газ необходим лишь для розжига печей);
- тепловая энергия, образующаяся при сжигании осадков,
рекуперируется(лат. recuperation - возвращение) в котлах - утилизаторах и
используется для производственных нужд;
- образующаяся зола используется в качестве добавок при изготовлении кирпича, легких бетонов, облицовочных материалов, дорожного покрытия и др.;
- годовые эксплуатационные расходы на сжигание осадка в 1,9 раза меньше, чем на обработку 1000 м3 осадка на полигонах;
- для изготовления оборудования задействованы крупнейшие промышленные предприятия Санкт-Петербурга.
Выполненные расчеты показали, что затраты на модернизацию всей системы обработки осадков на ЦСА Санкт-Петербурга в нынешних условиях экологически эффективны и экономически выгодны.
Таким образом, в Санкт-Петербурге создан первый отечественный практически экологически безопасный, почти безотходный и экономически рентабельный высокоавтоматизированный технологический комплекс по обработке и утилизации осадков, образующихся в процессе очистки сточных вод.
Учитывая, что проблема утилизации осадков сточных вод очень остро стоит во всех регионах, опыт Санкт-Петербурга, очевидно/ будет востребован во многих крупных городах России.
В будущем большая доля потребности в сырье для промышленности должна удовлетворяться продуктами переработки промышленных и бытовых отходов.
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
11.4. Принятие решенийПринятие решений в области ох-и управлениераны окружающей природной среды проблема чрезвычайно сложная, так как результаты принятых решений оцениваются различными заинтересованными сторонами по-разному. Например, для какого-то города вывоз и захоронение отходов на полигонах в санитарном, экологическом и экономическом отношениях наиболее эффективны. Однако для тех, кто живет вблизи мест захоронения, такое решение будет не лучшим, так как это связано с движением грузовых машин и другими экологическими опасностями. Другой пример: закрытие целлюлозно-бумажного завода, администрация которого не может обеспечить природоохранные мероприятия, является лучшей мерой с точки зрения охраны природы. Но если в данной местности завод - единственное предприятие, то для работающих на нем это неприемлемо.
Необходимо помнить, что окружающая среда - сложная система, состоящая из множества тесно связанных элементов, и воздействие на один из них неизбежно сказывается на других. Поэтому, чтобы сохранить или улучшить качество охраняемой системы в целом, часто приходится жертвовать отдельными ее составляющими и идти на компромиссы.
Комплексный анализ различных сред,т. е. одновременная оценка степени воздействия на почву, воздух и воду, позволяет находить правильные решения. Очистка потоков воды, содержащей нерастворенные взвеси, является характерным примером того, как возникает поток отходов в виде осадков, в результате чего проблема загрязнения воды переходит в проблему загрязнения почвы, требуя принятия соответствующих решений. Очистка воздуха от диоксида серы S02 с помощью извести порождает проблему загрязнения почвы и воды. При сжигании отходов решается проблема загрязнения почвы, но может возникнуть проблема загрязнения воздуха. Частичное или даже полное решение одной проблемы нередко приводит к появлению или обострению каких-либо других проблем.
Приведем один из возможных подходов к комплексному анализу загрязнения различных сред.
Масса m каждого загряз-
няющего вещества оценивается
степенью ущерба dP, принима-
ющей значения от 0 до 1.
Максимальному выбросу соответствует максимальный ущерб
(dP=1). При отсутствии загряз
няющего вещества нет и ущер-
ба (dp=0). Изменение степени
ущерба между этими двумя пре
дельными значениями может
описываться различными кривы
ми (рис. 1.20). Рис. 11.20. Зависимость степени ущерба от
массы загрязняющего вещества
Для эколога, считающего,(по П. Бертокс, Д. Радд, 1990)
что даже небольшие количества загрязняющих веществ наносят большой вред, степень ущерба выражается кривой А. Директор предприятия может считать более реальной кривую Б. Линии В и Г отражают другие возможные точки зрения. Для некоторых видов загрязнений характер подобных зависимостей изучен, но для большинства веществ формы кривой неизвестны. В этих случаях прибегают к мнению экспертов.
Некоторые загрязнения сильно рассредоточены - их влияние распространяется на большие расстояния, они могут нанести больший вред, чем вещества, распространение которых поддается строгому контролю. Кроме того, некоторые виды загрязнений очень стойкие, и их действие со временем возрастает. Чтобы учесть всю совокупность этих воздействий, для каждого вида загрязнения (р) вводится модифицированная функция МР: МР = 0,1*с, где с = х + t + е; х - масштаб распространения действия; t - стойкость загрязнения; е - возможность переноса (табл. 11.8).
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Таблица 11.8 Показатели, с помощью которых вводится функция Mp |
Как видно из табл. 11.8, суммарный показатель с может принимать значения от 3 до 8, а Мр, соответственно - от 0,3 до 0,8. Если загрязняющее вещество нестойко и не имеет области распространения, то Мр = 0,1; если значения х, t и е максимальны, то Мр = 0,8.
Обычно на практике рассматривают несколько видов загрязнений, относительная значимость которых учитывается с помощью весового множителя WP. Сумма значений WP принимается равной 1000. Если в системе два загрязняющих вещества А и Б, но А вдвое опаснее Б, то WA = 667, а WБ = 333. Суммарный ущерб от всех видов загрязнений, наносимый среде (воздуху, почве или воде), оценивается показателем ухудшения качества среды К:
(11.24)
где р - номер загрязняющего вещества; dPS - степень ущерба для выбранного варианта решения s; WP - весовой множитель; МР - модифицированная функция.
Чем выше значение К, тем больше вероятность ухудшения состояния среды. Разумеется, показатель К условный, однако, вычисление его значения чрезвычайно полезно для сравнения вариантов решения при выборе природоохранных мероприятий.
Разность между значением К для исходного состояния системы (K0) и состояния, соответствующего выбранному решению (Ks) определяется как показатель эффективности варианта решения (Эs):
(11.25)
Положительные значения показателя Э5 соответствуют улучшению состояния окружающей природной среды по сравнению с исходным, а отрицательные - свидетельствуют об ухудшении ее состояния. Показатель эффективности является удобным инструментом для сравнения и оценки вариантов решений и выбора оптимального способа охраны среды.
Управление качеством окружающей среды и принятие решенийвозможны при наличии ясного представления об экономической эффективности затрат на средозащитные мероприятия и о размерах предотвращаемого ущерба. Только тогда можно прогнозировать, экономически стимулировать и оценивать направления научно-технического прогресса. В условиях развитого индустриального общества неизмеримо возрастает роль природных факторов в общественном производстве.
Необходимо стремиться к минимизации затрат общественного труда, рациональному распределению и использованию природных ресурсов, чтобы сохранить качество природной среды на уровне, обеспечивающем нормальные условия жизни людей в настоящее время и в обозримом будущем. Важно также уметь правильно оценивать социально-экономические последствия принятых решений.
В конечном счете эффективность охраны природы и рационального природопользования должна выразиться в приросте национального дохода, повышении социального и экологического потенциалов.
Чтобы избежать негативных последствий, общество разработало систему регулирования природоохранной деятельности. Основными функциями управления являются: контроль за использованием ресурсов, защита воздуха, воды, почвы от загрязнения, сохранение экологического равновесия в природных экосистемах и прогнозирование их состояния. Желаемых целей можно достичь двумя путями: реорганизацией экономической и хозяйственной деятельности и защитой непосредственно природных объектов. Это означает, что в эколого-экономической системе должен
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
присутствовать особый блок, который воспринимает информацию от природных экосистем о происходящих изменениях, оценивает возможные отрицательные последствия и передает команду управляющему блоку. В качестве блока управления могут выступать органы власти или специально уполномоченные службы. Они получают информацию о состоянии природных объектов на основе мониторинга и предписывают предприятию сокращение выбросов или сбросов, используют экономические рычаги управления (корректируют плату за загрязнение и т. п.). Конкретные способы выполнения предписаний выбирает само предприятие. Это могут быть строительство новых очистных сооружений, изменение технологий, замена топлива или сырья, приостановка устаревших производств. Основными принципами при принятии решений должны быть:
- анализ результатов предполагаемых действий;
- учет взаимосвязей экономической и социальной деятельности с состоянием окружающей природной среды.
Для совершенствования системы управления окружающей средой в первую очередь необходимы введение новых оценочных показателей, нормативов, отработка механизмов взаимодействия между природоохранными подразделениями. Основными направлениями совершенствования системы управления являются:
- улучшение системы информационного обеспечения;
- поиск эколого-экономического оптимума при установке нормативов выбросов и уровня допустимого загрязнения;
- совершенствование структур и подразделений, участвующих в управлении качеством природной среды и природопользованием, координация их деятельности, подчинение решению глобальных задач;
- совершенствование экономического механизма управления;
- создание механизмов выполнения целевых программ по
охране природы и рациональному природопользованию в
региональном, национальном и глобальном масштабах.
11.5. МеждународноеПрирода Земли едина, ее законы все-сотрудничествообщи. Она не знает ни государственных, ни административных границ. Поэтому национальные усилия в природоохранной деятельности приносят результаты только тогда, когда согласуются с межнациональными мерами в этой области. Осознание объективной необходимости объединить усилия мирового сообщества для решения глобальных экологических задач приходило постепенно, по мере нарастания угрозы экологического кризиса в масштабах планеты.
Международно-правовые принципы.Одно из важнейших направлений международного сотрудничества - международно-правовая охрана окружающей среды, которая должна опираться на общепризнанные нормы международного права. Основные правовые принципы были выработаны совместными усилиями членов международного сообщества (государств, международных организаций и конференций). Они изложены во многих документах, основными из которых являются: решения генеральной Ассамблеи ООН (1962, 1968, 1980), решения Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде (1972), Заключительный акт Совещания по безопасности и сотрудничеству в Европе (Хельсинки, 1975), Всемирная Хартия природы (1986), решения Международной конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992, 1996), Пан-Европейская Конвенция о Стратегии сохранения биологического и ландшафтного разнообразия (София, 1995), Конвенция по доступу к экологической информации (Орхус, 1998) и др. Правда, последний документ Россия не подписала. В обобщенном и кратком виде эти принципы можно сформулировать следующим образом:
- приоритетность экологических прав человека;
- суверенитет государств на природные ресурсы своей территории;
- недопустимость экологического благополучия одной страны за счет нанесения экологического вреда другой;
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
- экологический контроль на всех уровнях;
- свободный международный обмен экологической информацией;
- взаимопомощь государств в чрезвычайных обстоятельствах;
- разрешение эколого-правовых споров мирными средствами.
Названные выше принципы международного сотрудничества в области охраны природы распространяются и на отношения России со странами СНГ. В феврале 1992 г. представители этих стран в Москве подписали Соглашение о взаимодействии в области экологии и охраны окружающей среды. Для координации экологической деятельности стран СНГ создан Межгосударственный экологический совет (МЭС), секретариат которого является постоянно действующим органом. Основан также международный экологический фонд стран СНГ в Минске.
В России законодательно закреплен примат международного права над внутренним правом в области охраны природной среды и использования ресурсов (ст. 93 Закона ООПС).
Принципы ясны, но в их реализации остаются проблемы. Еще не было случая, чтобы международное правило действовало автоматически с момента его принятия и утверждения. Практика показала, что для введения в действие международных договоров в России всегда предварительно принимались соответствующие постановления правительства. Поэтому международные договоры пока только некое разрешение на вход международно-правовых норм в национальные отношения.
Объекты международного сотрудничества- это такие объекты, по поводу которых разные страны вступают в экологические отношения (рис. 11.21).
Среди них выделяют две категории объектов: не входящие и входящие в юрисдикцию государств. Первые - это воздушный бассейн, космос, Мировой океан, Антарктика, мигрирующие виды животных. Эти объекты охраняются и используются в соответствии с нормами международного экологического права. Вто-
рые - это объекты, входящие в юрисдикцию государств: международные реки, моря, озера; объекты мирового природного наследия, занесенные в Международную Красную книгу исчезающих и редких животных и растений.
Рис. 11.21. Основные объекты международного сотрудничества (по В. В. Петрову, 1996)
Воздушный бассейннуждается в глобальной охране. Первостепенное значение имеют договоры о запрещении испытаний и применения оружия массового уничтожения - ядерного, биологического, химического и др. Большую опасность представляют трансграничные загрязнения атмосферы кислотные дожди,
озоноразрушающие вещества и др.). На Венской встрече министров иностранных дел в 1986 г. было принято решение о сокращении выбросови на 30 - 50 % до 1995 г. в
надежде остановить потепление климата и сократить число кислотных дождей. Однако это решение полностью не выполняется. принадлежит всему мировому сообществу, которое выразило свое отношение к нему в двух документах: Декларации правовых принципов деятельности по использованию космического пространства (1963) и Договоре о принципах деятельности государств по исследованию и использованию космического пространства, включая Луну и другие небесные тела (1967). В них сформулировано следующее положение: космос - достояние всего человечества; недопустимы национальное присвоение его частей, загрязнение космического пространства и использование его в военных целях. Однако в настоящее время в околоземном
474
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
пространстве уже находится около 3,5 млн т космического мусора. Если не принять меры, то через 20-30 лет космические полеты могут стать невозможными.
Мировой океан сосредоточивает 96 % воды земного шара; оказывает решающее влияние на климат планеты; это источник биологических, минеральных, энергетических ресурсов. Поэтому охране мирового океана посвящены около 25 правовых и нормативных международных документов, а также ряд решений, соглашений, резолюций и договоров. Среди них большое значение имеют запрещение загрязнения океана нефтью, химическими и радиоактивными веществами, другими вредными отходами.
На глобальном уровне действуют также Конвенция о рыболовстве и охране живых ресурсов моря (1958) и Конвенция ООН по морскому праву (1982). Они провозглашают право государств на промысел животных с учетом международных норм.
На национальном уровне рыболовство регулируется вне пределов территориальных вод лишь в зонах юрисдикции прибрежных государств, которые установлены Женевской конвенцией 1958 г.
Антарктика - подлинный международный объект охраны природы. Принципы охраны и использования южного материка регулируются отдельным Договором об Антарктике (1959). Его основные положения - свобода научных исследований, запрет военных мероприятий, охрана живых ресурсов.
Разделяемые международные природные ресурсы - ресурсы находящиеся в пользовании двух или более суверенных государств: например, Балтийское море, река Дунай, Великие озера (США и Канада) и др. Основой регулирования охраны и использования таких объектов являются договоры, заключаемые заинтересованными странами. Для управления международным объектом создаются на паритетных началах постоянно действующие органы - комиссии, комитеты. Так, органом управления по Дунаю является Дунайская комиссия, по Балтийскому морю -Балтийский совет, Хельсинкская комиссия (Хелком) и др.
В ноябре 1972 г. конференцией ЮНЕСКО была принята Конвенция об охране всемирного культурного и природного наследия: заповедников, национальных парков, резерватов, памятников культуры, независимо от их государственной принадлежности. Эти объекты принимаются на международный учет. Международные организации оказывают материальную помощь в их содержании.
Международные организации и конференции.Охраной окружающей природной среды занимаются многие международные организации. Ведущая роль принадлежит Организации Объединенных Наций (ООН) и ее специализированным органам. Одним из главных органов ООН является Экономический и социальный совет (ЭКОСОС), в рамках которого действуют национальные и региональные комиссии и комитеты.
Рис. 11.22. Основные международные организации по охране окружающей природной среды (по В. В. Петрову, 1996) |
Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП) создана в декабре 1972 г. ЮНЕП имеет Совет управляющих, Совет по координации и Фонд окружающей среды. К первоочередным направлениям деятельности ЮНЕП относятся: 1) здоровье человека; 2) охрана земель и пресных вод; 3) защита мирового океана; 4) охрана животных и генетических ресурсов; 5) энергетические ресурсы; 6) образование; 7) торговля, экономика, технология. В рамках ЮНЕП работают и другие международные организации (рис. 11.22).
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Организация объединенных наций по культуре, науке, образованию (ЮНЕСКО)создана в 1948 г.; штаб-квартира находится в Париже. Основные направления ее деятельности:
- руководство экологическими программами, в которых занято свыше 100 государств. Например, «Человек и биосфера», Международная программа по образованию и др.;
- учет и организация охраны объектов, отнесенных к всемирному наследию;
- оказание помощи развивающимся странам в подготовке
специалистов-экологов.
Международный союз охраны природы и природных ресурсов(МСОП) также учрежден в 1948 г. Эта неправительственная организация представляет около 100 стран. По инициативе МСОП ведется Красная книга. Основные задачи МСОП:
- сохранение естественных экосистем, растительного и животного мира;
- сохранение редких и исчезающих видов;
- организация заповедников, резерватов, национальных парков.
Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ)образована в 1946 г., занимается вопросами охраны здоровья человека в аспекте его взаимодействия с окружающей средой, консолидируется с ЮНЕП, МАГАТЭ и др.
Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ)образовано в 1957 г. для обеспечения ядерной безопасности и охраны окружающей среды от радиоактивного загрязнения. Неподчинение государств требованиям МАГАТЭ может вызвать применение экономических санкций по решению Совета Безопасности ООН.
Всемирная метеорологическая организация ООН (ВМО)создана в 1947 г. Ее основная задача - изучение и обобщение воздействий человека на климат планеты. Она работает, главным образом, в рамках глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС).
Международная морская организация (ИМО)создана в 1948 г., действует в области морского судоходства и охраны моря от загрязнения. При ее участии разработаны конвенции по борьбе с загрязнением моря нефтью и другими вредными веществами.
Сельскохозяйственная и продовольственная организация ООН (ФАО)организована в 1945 г. Сфера ее деятельности - сельское хозяйство и мировые продовольственные ресурсы. ФАО подготовила почвенную карту мира, участвует во многих экологических программах, активно сотрудничает с ЮНЕП, ЮНЕСКО, МСОП.
Помимо названных ведущих международных организаций, в мировом сообществе функционирует множество структур природоохранного профиля: например, Международный регистр потенциально токсичных химических веществ (МРПТХВ), Бюро ООН по оказанию помощи при стихийных бедствиях (ЮНДРО), Европейская экономическая комиссия - ЕЭК (занимается внедрением мало- и безотходных технологий), Хельсинкский комитет по охране Балтийского моря (Хелком) и многие другие.
Из международных конференций следует отметить четыре.
Стокгольмская конференция ООН по окружающейсреде
(5-16 июня 1972 г.) приняла два основных документа: Декларацию принципов и План мероприятий. Первый включает 26 принципов, из которых основные:
- право человека на благоприятные условия жизни и качество
среды, позволяющие вести достойную жизнь;
- сохранение природных ресурсов на благо нынешних и будущих поколений;
- экономическое и социальное развитие, в котором решающее значение имеет улучшение окружающей среды;
- суверенное право государств на использование своих природных ресурсов и ответственность за ущерб, наносимый окружающей среде;
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
- избавление людей и природы от последствий применения
ядерного и иных видов оружия массового уничтожения.
В Плане мероприятий обозначены пути решения организационных, экономических, политических задач во взаимоотношениях государств при международном сотрудничестве в области охраны окружающей среды.
Совещание по безопасности и сотрудничеству вЕвропе проходило в Хельсинки в августе 1975 г. с участием всех европейских стран, США и Канады. Совещание приняло Заключительный акт, в котором отражены вопросы политической и экологической безопасности. Для реализации хельсинкских соглашений позже были приняты несколько документов: Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха (1979), Конвенция о трансграничном воздействии промышленных аварий (1992) и др.
представителей государств - участников Совещания по безопасности и сотрудничеству в Европе (СБСЕ) прошла в ноябре 1986 г. В итоговом документе содержатся следующие рекомендации:
- сокращение выбросов серы на 30 % до 1995 г., снижение выбросов углеводородов и других загрязняющих атмосферу веществ;
- разработка способов захоронения опасных отходов, альтернативных захоронению в море;
- развитие совместной программы наблюдений за распространением загрязнений на большие расстояния в Европе (ЕМЕП);
- сокращение производства озоноразрушающих веществ;
- исследование ролив глобальном потеплении климата.
Конференция ООН по окружающей среде и развитию
проходила в Рио-де-Жанейро 3-14 июня 1992 г. Конференция была организована для подведения итогов 20-летней деятельности по охране природы после Стокгольмской конференции. В ней участвовало 15 тысяч делегатов из 178 стран мира. Основным итоговым документам посвящен специальный раздел учебника (12.3).
Межгосударственное сотрудничество РФ.В последние годы деятельность по международному природоохранному сотрудничеству в России значительно активизировалась. Одним из важнейших направлений стало участие в общеевропейском процессе под названием «Окружающая среда для Европы». В октябре 1995 г. в Софии прошла первая Общеевропейская конференция министров окружающей среды. В ходе ее подготовки РФ активно взаимодействовала с Комитетом по экологической политике ООН. Основными итоговыми документами были «Декларация министров» и «Экологическая программа для Европы». Затем эти конференции, неизменным участником которых была Россия, проходили ежегодно.
На состоявшейся в 1995 г. XVIII сессии Совета управляющих ЮНЕП принят ряд решений об оказании содействия странам с переходной экономикой. Развиваются контакты с Экономической и социальной комиссией стран Азии и Тихого океана (ЭСКАТО). С 1995 г. Россия - полноправный член ЭСКАТО.
Делегация России приняла участие в работе 3-й сессии Комитета ООН по устойчивому развитию (Нью-Йорк, апрель 1995). Разработана и представлена Международному оргкомитету Европейского года окружающей среды программа его проведения в России.
В рамках сотрудничества с МСОП представители РФ добились выделения специальной программы по странам СНГ с особым блоком России. По линии Всемирного фонда дикой природы (ВВФ) подписан Меморандум о взаимопонимании между республикой Саха (Якутия) и отделением ВВФ в Швеции. По линии МАГАТЭ проведены два совещания экспертов (Россия, США, Норвегия) по проблеме использования отработанного топлива атомных лодок и радиоактивных отходов.
Реализуется более 20 международных конвенций и соглашений. В связи с ратификацией РФ Конвенции о биологическом разнообразии (КБР) активизируется работа по выполнению международных обязательств в ее рамках. В список всемирного
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
Глава 1 1. Экологические принципы охраны природы
наследия включен массив первичных лесов Печоро-Ильчинского заповедника в Республике Коми. Постоянно продолжается работа по Конвенции о защите морской среды региона Балтийского моря (Хелком, 1974). Российская делегация приняла участие в работе 16-й сессии Хелком (1994), где обсуждались итоги работы за двадцатилетний период, а также бюджет на последующие годы; в 1995 г. был выработан согласованный план мероприятий по подготовке России к 17-й сессии.
6 февраля 1995 г. РФ и Международный Банк Реконструкции и Развития (МБРР) подписали соглашение о займе на сумму 110 млн долларов США для финансирования проектов по управлению окружающей средой. В этой связи Правительство РФ приняло два постановления: № 808 и № 809. 30 августа 1995 г. соглашение вступило в силу. Основная цель этого проекта -создание условий для снижения экологического ущерба в особо опасных районах России (на Верхней Волге, Среднем Урале и Нижнем Доне).
Созданы федеральные и региональные Комитеты по оказанию технической помощи по следующим направлениям: 1) экологическая политика и регулирование; 2) экологическая эпидемиология; 3) управление качеством воды и водными ресурсами; 4) управление опасными отходами. Проводятся международные конкурсные торги для выбора фирм-консультантов и фирм-поставщиков товаров и услуг в интересах проекта.
Наиболее активно двустороннее сотрудничество в области охраны окружающей среды осуществляется с Великобританией, Германией, Данией, Индией, Канадой, Китаем, Нидерландами, Норвегией, Республикой Корея, США, Финляндией, Францией, Швецией.
Международные формальные и неформальные движения за сохранение жизни на Земле - объективная необходимость.
Поэтому сотрудничество России в области охраны природы не исчерпывается деятельностью организаций, о которых сказа-
но выше. Оно охватывает различные неформальные общественные движения, партию «зеленых» и многие другие и постоянно расширяется.
Контрольные вопросы
1. Что называется мониторингом?
2. Какие виды мониторинга вам известны?
3. Как можно оценить состояние окружающей среды по данным мониторинга?
4. Как рассчитать индекс загрязнения атмосферного воздуха?
5. Как рассчитывается индекс загрязнения природных вод?
6. Каковы основные экономические механизмы охраны окружающей среды?
7. Какие кадастры природных ресурсов вам известны?
8. Какие существуют виды платы за ресурсы в РФ?
9. На какие мероприятия должны расходоваться средства экологических фондов?
10. Каковы основные принципы оценки экологического ущерба?
11. Каковы основные принципы оценки экономической эффективности природоохранных мероприятий?
12. Каковы главные направления деятельности в области инженерной защиты окружающей среды?
13. Расскажите об основных методах очистки газовых выбросов в атмосферу.
14. Какие методы используются для очистки сточных вод?
15. Какие существуют методы обработки и утилизации осадков сточных вод?
16. Как рассчитать показатель ухудшения качества среды?
Глава 11. Экологические принципы охраны природы
17. Какие природные объекты являются объектами международного сотрудничества?
18. Перечислите известные вам международные природоохранные организации.
ГЛАВА 12
СТРАТЕГИЯ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ОБЩЕСТВА И
ПРИРОДЫ
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
12.1. Конфликт междуИсторически отношение человека обществом и природойк природе сводилось к ее потреблению, использованию природных ресурсов для удовлетворения своих материальных и духовных потребностей. Такую форму взаимодействия можно назвать экономической. Масштабы потребления ресурсов привели к истощению, загрязнению и разрушению окружающей природной среды. Это породило конфликт между обществом и природой, но одновременно привело к появлению другой - экологической формы взаимодействия, целью которой стала охрана естественной среды обитания живых организмов, в том числе и человека.
Основные причины разрушения экосистеми истощения ресурсов следующие:
1. В отличие от природы, где образование и потребление пищевых ресурсов происходят по безотходному циклу, при производстве товаров человеком образуются отходы. Для удовлетворения своих нужд человеку в год требуется около 20 т сырья, 90 -95 % которого поступает в отходы. Когда-то природные системы перерабатывали отходы человеческой деятельности, защищая себя от их вредного воздействия. В современных условиях возможности биосферы к самоочищению и саморегуляции почти исчерпаны.
2. Емкость природной среды не позволяет переработать все отходы хозяйственной деятельности человека, накопление которых создает угрозу глобального загрязнения окружающей среды и деградации естественных экосистем.
3. Запасы полезных ископаемых ограничены физико-химическими условиями и размерами нашей планеты, что приводит к их постепенному истощению.
4. Результаты разрушительной деятельности людей часто имеют долговременные последствия, которые не прослеживаются одним поколением. Кроме того, воздействие на природу в одном регионе может сказываться в отдаленных от этого региона местах. Это создает ложное представление о безвредности той или иной хозяйственной деятельности.
Социальная стабильность и устойчивость природных экосистем - две стороны одной медали. Развитие природных и социально-экономических систем происходит в соответствии с теорией сложности структуры и связей с поддерживающей емкостью среды. Смысл теории сложности заключается в том, что по мере увеличения размеров и усложнения организации систем растет доля энергетических затрат на поддержание их структуры и обеспечение разнообразных функций. А та доля энергии, которая могла бы расходоваться на дальнейший рост и развитие, падает. Когда поступление энергии и ее расход на самоподдержание уравниваются, дальнейший рост и развитие системы прекращаются. Уровень развития, который может поддерживаться в этих условиях, называется максимальной поддерживающей емкостью среды.
Емкость природной средыможно пояснить на примере эксперимента, проведенного в штате Мичиган. В 1928 г. в загон площадью 500 га поместили 6 оленей. К середине 30-х гг. стадо увеличилось до 220 голов. Олени стали поедать слишком много растительности и повреждать среду своего обитания. Численность их стала снижаться из-за голода, болезней и разрушения среды обитания. Тогда число оленей сократили до 115 голов и поддерживают на этом стабильном уровне. Рассчитали, что 200 голов (2,5 га на голову) будут соответствовать максимальной емкости среды, а приблизительно 100 голов (5 га на голову) - ее оптимальной емкости.
В естественных условиях роль регулирующего фактора, положительно влияющего на качество популяции, могут играть хищники. В природных системах, как уже говорилось, выработались гомеостатические механизмы саморегуляции, поэтому перегрузки емкости среды не происходит и уровень ее поддерживается ниже максимального, иногда он называется «надежной поддерживающей емкостью».
В городах также может происходить перегрузка емкости среды по мере роста населения и экономических благ, что
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
приводит к снижению качества воздуха и воды. Следствием этого является увеличение заболеваний, затрат на очистку воды, воздуха, медицинские услуги и т. п. Кроме того, в больших городах повышаются расходы на транспорт, обслуживание, отопление и охлаждение, растут безработица и преступность и т. д. Иными словами, по мере роста города затраты на обеспечение его функций возрастают, а качество жизни снижается. Оптимальная емкость среды, очевидно, соответствует городам умеренных размеров, с населением около 100 тысяч человек (рис. 12.1).
Рис. 12.1. Рост экономических прибылей и снижение качества среды по мере увеличения города (по Ю. Одуму, 1986)
Индустриально-городская система сильно зависит также от емкости среды на входе и выходе, т. е. размеров сельского окружения. Чем больше город, тем больше он нуждается в пригородных пространствах. При их отсутствии качество жизни резко снижается, и он не сможет конкурировать с другими городами. Часто именно качество жизни, а не недостаток энергии и других удобств становится фактором, лимитирующим развитие города. В идеале в каждом регионе должен быть крупный город, в котором сосредоточены культурные учреждения: музеи, театры,
филармонии, спортивные комплексы, университеты и т. д., а рядом с ним - множество маленьких поселков, обеспечивающих экологическое благополучие. В городах экономические функции обычно максимизированы до такой степени, что не удается одновременно оптимизировать социальные и экологические аспекты жизни человека.
Численность людей в мире, по-видимому, приближается к максимальным возможностям биосферы обеспечивать их продуктами питания и горючими ископаемыми. Некоторые ученые полагают, что емкость Земли уже превышена. Так, академик В. Коптюг (1997) считает, что «если приподнять жизненный уровень беднейшей части населения планеты, то ресурсов на всех не хватит».
Когда рождаемость сравняется со смертностью, население земного шара выйдет на постоянный уровень между 8,5 и 13,5 млрд чел. Это объясняется тем, что после роста рождаемости возможен резкий спад численности населения, так как при существующих ресурсах и емкости биосферы при населении свыше 10 млрд человек снизится качество жизни. В. И. Вернадский писал, что наша планета (как и любая другая) имеет пределы распространения жизни, ограниченные ее физическими свойствами и прежде всего размерами.
Развитие молодых и зрелых экосистемотличается затратами энергии, идущей на поддержание структуры и на рост биомассы. В зрелых экосистемах траты энергии на поддержание структуры превышают ее затраты на рост продукции. Человек же, желая получить максимум продукции, идет на дополнительные траты энергии, не заботясь о сохранении структуры системы. Например, стремясь получить высокие урожаи монокультур, он искусственно поддерживает агроэкосистемы в незрелом состоянии и перегружает емкость природной среды. Однако занять под пашни всю поверхность Земли было бы самоубийством. Мы лишились бы «несъедобного» буфера, который жизненно необходим для поддержания стабильности биосферы. Каждый инстинктивно стремится окружить свой дом
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
кустами, травами, цветами, селиться у водоемов и т. д. Людям нужны не только пища и одежда, но и сбалансированная по атмосфера, мягкий климат, чистые вода и воздух, рекреационные зоны, позволяющие наслаждаться природой. Такие условия возможны в зрелых экосистемах, поддерживающих свою стабильность (рис. 12.2).
Рис. 12.2. Распределение энергии в экосистемах
Долгое время человечество принимало как должное то, что природа обеспечивает газообмен, очистку воды, круговороты биогенных элементов и выполняет другие функции, сохраняющие равновесие экосистем. Но рост научно-технического прогресса и населения Земли стал разрушать компенсационные механизмы саморегуляции в природе. Поскольку одну и ту же систему невозможно оптимизировать по двум несовместимым критериям, очевидно, необходимо искать компромисс между количеством экономических благ и качеством жизненного пространства.
Страны с высокой плотностью населения (Япония, Бельгия, Голландия и др.) сильно зависят от обширных пространств вне собственной территории. В Японии, например, на 1 га сельскохозяйственных угодий требуется 5 га моря и суши вне собственной страны. Трудно оценить, сколько нужно первозданной природной среды, чтобы обеспечить заданный уровень экономического развития человечества, и сложно выработать стратегию взаимодействия человека с природой, создать глобальную модель развития.
12.2. Концепции и гло-Существует несколько концепций бальные моделивзаимодействия общества и природы. будущего мира Концепции будущего ра-
звитияв древние и средние века рассматривали природу как мудрого творца, возвышающегося над обществом. Эту идеологию можно выразить так: природа знает лучше, всякое вмешательство в нее оборачивается конфликтом, экологическими бедами и социальными потрясениями. Сторонники этой точки зрения проповедуют «нулевую» стратегию невмешательства в природу. Но как ни привлекательны такие взгляды, надо признать, что человек не может не воздействовать на природу, ибо сам развивается вместе с ней.
В эпоху развития капитализма восторжествовала потребительская концепция. Был провозглашен приоритет экономических интересов человека. Естественная среда рассматривалась как кладовая, из которой можно и должно черпать богатства для обеспечения человека материальными благами; природа - как мастерская, где человек и творец, и работник, и господин. На каком-то отрезке развития общества эти идеи были прогрессивными. Но господство людей обернулось деградацией природной среды, стало тормозом на пути гармоничных отношений человека с природой.
В условиях экологического кризиса 50-70 гг. XX столетия потребительские концепции сменились озабоченностью человечества судьбой биосферы, появились различные общественные движения, отражающие реакцию людей на разрушение среды обитания. Пессимисты рисуют мрачную картину будущего человечества и уверены, что современная цивилизация неминуемо идет к катастрофе. Оптимисты верят в разум и способности человека решить экологические проблемы. Они очень близки к учению В. И. Вернадского о ноосфере.
Современные экологические концепции появились в 70-х гг. в виде докладов Римского клуба. В апреле 1968 г. по инициативе итальянского промышленника Аурелио Печчеи группа биологов,
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
математиков, экономистов, социологов и просто дальновидных людей (30 человек из 10 стран) собралась в Риме, чтобы обсудить настоящие и будущие проблемы человечества. Это собрание и получило название Римского клуба, который заказал серию докладов под общим названием «Трудности человечества».
Доклады Римского клубабыли составлены несколькими группами ученых.
«Пределы роста» - первый доклад, подготовленный учеными Массачусетского технологического института под руководством Дениса и Донеллы Медоуз (1972). Они разрабатывали глобальные модели, которые должны были предсказать, что ожидает людей при сохранении современных экономических и политических путей развития. Результаты моделирования показали, что темпы промышленного роста, потребления ресурсов и энергии, прироста населения будут возрастать до тех пор, пока не достигнут предела развития, после которого произойдет катастрофа. Отчет осуждал манию роста, когда на индивидуальном, семейном, национальном уровне господствует одна цель - стать богаче и могущественнее. Было показано, что после экономических «взлетов» неминуемо наступает «падение». Доклад вызвал бурную критику, особенно со стороны политических лидеров. Авторов обвиняли в том, что они не учли новые технологии, замену истощенных ресурсов новыми и т. д. Но большинство людей осознало, что лучше ограничить промышленный рост.
«Человечество на перепутье» - второй доклад, подготовленный профессорами Ганноверского института механики М. Месаро-вичем и Э. Пестелем. Авторы пытались избежать недостатков «Пределов роста». Они разделили Землю на десять регионов, считая, что так решать экологические проблемы более эффективно, поскольку в разных частях света они существенно различаются. Основная идея заключалась в том, что регионы должны перейти к «органическому росту», ибо стихийное развитие ведет к гибели. Ученые полагали, что причиной современного кризиса являются две пропасти: между человеком и природой и между бога-
тыми и бедными. Ликвидация их должна обеспечить некое единство мира. Однако идею «органического роста» мировой системы не следует понимать упрощенно, как концепцию единого гомогенного мира. Напротив, развитие каждого региона должно идти своим путем. Но национальные интересы необходимо соотносить с глобальными. Такая модель мира, содержащая многоуровневые региональные модели, выглядит как гибкий инструмент планирования, как система взаимодействующих и взаимозавися-щих частей. Отдельные регионы являются блоками глобальной модели, которая может обеспечить людей, принимающих решения, средствами планирования мирового масштаба. Авторы предлагают использовать кризисы как детекторы ошибок и действовать, как природная кибернетическая система с сильной отрицательной обратной связью, которая срабатывает, когда рост приводит к ухудшению качества жизни.
«Перестройка мирового порядка» (1977) - третий доклад, составленный группой ученых, координатором которой был голландский экономист Ян Тинберген. Особое внимание ученые уделили слаборазвитым странам, лидеры которых в целом отвергали идею ограничения экономического роста.
Авторы доклада считали, что для реализации идеи «органического мирового порядка», предложенной во втором докладе, все страны должны согласовывать локальные цели с глобальными. Тогда усилия в регионах будут работать на благо человечества в целом. Они пытались показать, что сочетание локальных и глобальных интересов возможно. Например, страна нуждается в индустриализации для обеспечения достойного уровня жизни своих граждан. Вполне справедливо! Но этой цели следует достигать путем по возможности полного повторного использования ресурсов и переработки отходов. В этом случае системы жизнеобеспечения человека в биосфере (воздух, океаны, леса и др.) будут повреждены в минимальной степени. По существу, в докладе предлагается превращение современной, так называемой «линейной» экономики в «круговую» (рис. 12.3).
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
Рис. 12.3. Схемы «линейной» и «круговой» экономики (по Т. Е. Jones, 1977)
Необходимо убеждать граждан и политических лидеров разных стран в том, что соответствие национальных целей целям всего человечества отвечает и интересам этих стран.
Жизненно важное значение, считают авторы, имеет ослабление гонки вооружений, так как траты на эти цели снижают возможности всех стран направить усилия, энергию и деньги на сотрудничество во имя выживания. В этой связи уместно вспомнить о тенденции перехода от конкуренции к мутуализму (лат. mutuus - взаимовыгодный) в природных экосистемах в целях повышения устойчивости и стабильности (см. гл. 5).
«Цели глобального общества»(1977) - четвертый доклад, составленный профессором философии Э. Ласло, известным по книге «Стратегия для будущего». Доклад посвящен двум фундаментальным вопросам: в чем заключаются цели человечества и согласны ли люди предпочесть материальному росту повышение
качества окружающей среды. Речь шла о том, захочет ли человечество использовать научно-техническую мощь для достижения материального благополучия людей, не причиняя существенного вреда планете. Если да, то придется умерить некоторые желания ради приемлемых условий существования будущих поколений.
Таблица 12.1 Оценка соответствия национальных интересов глобальным целям |
Рабочие группы из разных стран и регионов (США, Канады, Западной и Восточной Европы, Латинской Америки, Африки, Среднего Востока) составили перечень целей своих стран, на основе которых были сформулированы глобальные цели. Затем были проанализированы расхождения целей относительно использования энергии, пищи, ресурсов, экономики, сельскохозяйственной политики и охраны природы. Соответствие национальных и глобальных интересов оценивалось от 0 (усилия сосредоточены исключительно на национальных интересах) до 10 (все цели включали решение глобальных проблем). При этом деятельность деловых кругов, правительств, политиков, интеллектуальных и религиозных обществ оценивалась по этой шкале отдельно. Так, в США меньше всего уделяли внимание решению глобальных проблем охраны природы деловые круги и политики, затем - правительство, а более других - интеллектуальные и религиозные группы населения. Усредненная картина для некоторых стран представлена в табл. 12.1.
В целом народы слаборазвитых стран оптимистичнее смотрят в будущее и больше готовы считаться с общемировыми проблемами, чем народы развитых стран. Достаточно высоко глобальные интересы
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
оцениваются только в Китае. Авторы доклада считали, что начало мировой солидарности уже положено, но пока не ясно, каким образом прийти к согласию.
Последующие доклады (1978 - 1980 гг.) были посвящены отдельным проблемам: переработке отходов, использованию энергии, достижению благосостояния и др.
«Нет пределов обучению»- один из ключевых докладов, который касался проблем образования (Botkin и др., 1980). Авторы выделяют микро- и макрообучение. Под микрообучением они понимают индивидуальное профессиональное обучение отдельных людей, которое господствует в мире, в то время как мало уделяется внимания коллективному, или общественному обучению населения - макрообучению. Как добиться, чтобы осведомленность и понимание всех региональных и глобальных трудностей стали доступны всем людям - образованным и необразованным? Как убедить все слои населения в необходимости ограничения роста экономики? Как воспитать экологическое мировоззрение у всех слоев общества?
К началу 80-х гг. было создано более десятка крупномасштабных моделей будущего развития мира.
Глобальные модели развитияматематически имитировали физические и социально-экономические системы мира и прогнозировали будущее, исходя из заложенных в них данных. Наиболее известны четыре модели: модель Форрестера, Медоуза с соавторами, Месаровича - Пестеля и Глобал-2000 (рис. 12.4). Были разработаны также социально-экономические модели, в которых не использовались данные по ресурсам и населению: латиноамериканская модель мира, британская, японская и мировая модель ООН.
Представленный на рис. 12.4 вариант модели мира построен на основе банка данных 1900 - 1970 гг. и предполагает, что «взлеты» и «падения» обусловлены появлением и истощением источников энергии и других ресурсов. Количество пищевых и промышленных продуктов экспоненциально растет до тех пор,
пока истощение ресурсов не затормозит промышленный рост. Численность населения и загрязнение среды еще некоторое время будут возрастать после прохождения пика промышленностью. Затем рост населения и загрязнения начнут снижаться из-за увеличения смертности и экономического кризиса.
Рис. 12.4. Модель развития мира Форрестера с учетом численности населения, ресурсов и загрязнения (по Г. Одум, Э. Одум, 1978)
Все модели основывались на допущениях, что в несчастьях повинны не только ограниченность ресурсов и пресс народонаселения, но и политическое, социальное и экономическое неравенство. Сегодня очень велики различия между богатыми и бедными во многих странах, а также между странами (30 % богатых промышленно развитых и 70 % бедных неиндустриальных стран).
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
Значительны различия в питании и ценностях: рыночные и нерыночные товары и услуги. Чудовищны различия в уровне образования. Чтобы люди и окружающая среда находились в гармоничном равновесии, необходимо преодолеть эти противоречия.
Несмотря на различия между концепциями и моделями, можно сделать некоторые общие выводы:
1. Технологический прогресс желателен и жизненно важен, но необходимо, чтобы при этом происходили и адекватные социальные, экономические и политические изменения.
2. Народонаселение и ресурсы на планете не могут расти бесконечно.
3. Мировое сообщество не имеет надежной и полной информации о емкости планеты, неизвестно, до какой степени биосфера сможет соответствовать росту народонаселения и технического прогресса. Но снижение скорости экономического роста уменьшает вероятность наступления экологической смерти.
4. Если следовать по экономическому пути развитых стран, то качество жизни не улучшится, а нежелательные противоречия усугубятся. Проблемы возникают гораздо быстрее, чем решаются, что создает опасность перехода через допустимый уровень индустриального развития.
5. Рост потребления энергии на душу населения сверх современного уровня в развитых странах повышает стоимость поддержания стабильности общества.
6. Долговременное сотрудничество для всех выгоднее, чем политика конкуренции.
7. Все решения должны приниматься в контексте глобального подхода. Действия, направленные на решение только узконациональных задач, непродуктивны, так как народы, страны и окружающая среда связаны теснее, чем обычно представляют. Международное сотрудничество является объективной необходимостью.
8. Будущее глобального устройства зависит от того, как
скоро изменятся нежелательные тенденции развития. Если это
произойдет в ближайшие два-три десятилетия, то результат будет более эффективным и менее дорогостоящим, чем при тех же действиях, предпринятых с опозданием.
Соотношения масштабов развития общества и его воздействия на окружающую среду в прошлом, настоящем и возможные сценарии будущего показаны на рис. 12.5.
Рис. 12.5. Соотношение масштабов развития общества и его воздействия на окружающую среду в прошлом, настоящем и будущем
Построение стабильного гармоничного общества требует революционной перестройки потребительского мышления, компетентного руководства и широкой образованности людей.
Эволюция экологического мировоззрения привела к утверждению концепции сбалансированного развития экономики без нарушения экологических интересов общества.
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
Оценивая значение докладов Римского клуба и последующих моделей будущего мира, можно отметить, что благодаря им возросла международная осведомленность о глобальном характере экологических проблем, был сделан переход от описания положения к поискам подходов к решению проблем, пришло понимание того, что сотрудничество выгоднее конкуренции. Однако никто не знает, как личный интерес соотнести с решением глобальных проблем.
12.3. ПрограммаК концу XX столетия мир убедился, что на XXI векдальнейшее развитие экономики невозможно без охраны окружающей природной среды. В то же время нельзя охранять окружающую среду, не развивая экономику. Взаимозависимость экологии и экономики и является основой новой экологической концепции. В развитие этой концепции в июне 1992 г. была созвана Международная конференция ООН в Рио-де-Жанейро на уровне глав государств и правительств, которая так и называлась: «Окружающая среда и развитие» (ОСР). В ней участвовали 180 стран. Генеральным секретарем конференции был Морис Стронг (Канада).
Устойчивое развитиебыло тем знаменем, под которым проходила конференция ОСР. Термин впервые появился в докладе Гру Харлем Брундтланд, возглавлявшей в 1987 г. Всемирную Комиссию ООН по окружающей среде и развитию. Она констатировала необходимость поиска новой модели развития цивилизации, обозначив ее как устойчивое развитие.Модель предполагает прогресс и движение вперед, при котором удовлетворение потребностей нынешнего поколения должно происходить без лишения такой возможности будущих поколений. Достижение такой цели может быть обеспечено балансом между решениями социально-экономических и экологических задач.
Устойчивое развитие подразумевает: 1) право людей на здоровую и плодотворную жизнь в гармонии с природой; 2) охрану окружающей среды как неотъемлемую часть процесса развития;
3) удовлетворение потребностей в благоприятной окружающей среде как нынешнего, так и будущих поколений; 4) уменьшение разрыва в уровне жизни между народами мира, а также между бедными и богатыми в каждой стране; 5) совершенствование природоохранного законодательства; 6) исключение развития производства и потребления, не способствующих устойчивому развитию; 7) предупреждение и предотвращение долгосрочных экологических проблем; 8) повышение образовательного уровня населения; 9) воспитание экологического мировоззрения.
Рабочий комитет Конференции заслушал выступления министров экологии, глав государств и правительств разных стран. В рамках комитета было создано 8 контактных групп по проблемам: 1) финансовые ресурсы, 2) передача технологий, 3) загрязнение атмосферы и изменение климата, 4) биоразнообразие и биотехнологии, 5) ресурсы пресной воды, 6) правовые инструменты, 7) институциональные меры, 8) защита лесов.
Выступая на открытии, Генеральный секретарь ООН Бутрос Бутрос Гали сказал: «Никогда в истории от того, что вы делаете или не делаете, так много не зависело для вас самих, для ваших детей, для ваших внуков, для жизни вообще во всем многообразии ее форм». В выступлении многих других участников подчеркивались:
1. Необходимость и нравственная обязанность создания новой глобальной модели развития, в которой благополучие всех и сохранение окружающей среды были бы синонимами.
2. Невозможность обеспечения экологической безопасности планеты в социально несправедливом мире.
3. Основными проблемами являются: а) перепроизводство и перепотребление в развитых странах, подрывающие природные системы жизнеобеспечения на Земле; б) взрывоопасный рост населения в развивающихся странах; в) усиление неравенства между богатыми и бедными.
4. Недопустимость неограниченного роста экономики, который нельзя рассматривать как прогресс. Население развиваю-
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
щихся стран составляет 3/4 жителей планеты, а потребляют они только 1/3 экономических благ. Это создает дисбаланс, экологическую и экономическую неустойчивость, одинаково угрожающую как богатым, так и бедным странам.
Развитие человеческого общества достигло предела, за которым неизбежно изменение политики. Так, например, сокращение гонки вооружений может высвободить средства для финансирования общей коллективной безопасности - безопасности экологической. Каждый произведенный пистолет, спущенный на воду военный корабль, каждая запущенная ракета означают кражу у тех, кто голоден. Вооруженный мир не просто тратит деньги - он тратит пот своих рабочих, гений своих ученых, надежды своих детей. «Мы просто вынуждены осуществить после сельскохозяйственной и промышленной революции революцию перехода к устойчивому развитию», - так сказала Гру Харлем Брундтланд.
Несмотря на понимание того, что многие проблемы носят общепланетарный характер, у каждой страны есть свои национальные интересы, поступаться которыми трудно даже в условиях глобального кризиса. Так, при обсуждении конвенций о климате и биологическом разнообразии представители США занимали особую позицию, потому что предлагаемые решения противоречили экономическим интересам их страны. Например, в вопросах сокращения выброса парниковых газов они консолидировались с нефтедобывающими арабскими странами, а не со странами ЕЭС. Нынешний президент Дж. Буш, как сказано выше, в марте 2001 г. официально объявил о выходе США из Киотского протокола 1997 г., т. е. отказался от обязательств по снижению выбросов парниковых газов. По отношению к Конвенции по сохранению биологического разнообразия США оказались в оппозиции ко всему миру, так как настаивали на коммерческой передаче биотехнологий. Корень противоречий в том, что генетические ресурсы сосредоточены в тропических развивающихся странах, а биотехнологии на основе этих ресурсов и прибыль от них - в развитых странах.
В итоге, несмотря на разногласия, были приняты три согласованных основополагающих документа, имеющих историческое значение:
Декларация РИО по окружающей среде и развитию;
Заявление о принципах глобального консенсуса(пат. consensus - согласие; по управлению, сохранению и устойчивому развитию всех видов лесов;
Улучшение благосостояния людей должно обеспечиваться в пределах хозяйственной емкости биосферы, превышение которой приводит к разрушению экосистем и глобальным изменениям окружающей природной среды.
Перехода к устойчивому развитию можно достичь усилиями всего человечества, но начинать движение каждая страна должна самостоятельно. Сделать это вряд ли удастся при нынешних стереотипах мышления.
Непонимание ограниченности возможностей биосферы порождает безответственное отношение властных струк-
Тур, юридических лиц и граждан к окружающей среде и экологической безопасности. Идеи устойчивого развития должны определить государственные приоритеты и перспективы социально-экономических преобразований.
Решающий для всего человечества момент перехода в XXI век особенно актуален для России, выходящей на новый путь развития. К началу экономических реформ большая часть основных производственных фондов не отвечала современным требованиям, а население проживало, в основном, на экологически неблагополучных территориях. Вместе с тем, в России сохранился крупнейший массив естественных экосистем - 18 млн км2, который является резервом устойчивости всей биосферы. Несмотря на сложность проблем, характер происходящих в стране преобразований предполагает реальные возможности построения социально-экономической системы, способной осуществить переход к устойчивому развитию.
Сбалансированный подход требует решения социально-экономических и экологических задач в определенной последовательности.
К первоочередным задачамотносятся:
- стабилизация экологической ситуации при выходе из экономического кризиса;
- улучшение качества окружающей среды за счет экологически ориентированных методов управления и экологизации экономической деятельности;
- ведение хозяйственной деятельности только в пределах емкости экосистем, внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий и изменение структуры экономики.
перехода к устойчивому развитию являются:
- создание правовых основ, включающих совершенствование
законодательства и экономические механизмы природопользова
ния и охраны природы;
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
- разработка систем стимулирования и ответственности за эколо-
гические результаты хозяйственной деятельности; отношение к био
сфере не только как к ресурсу, но и как к фундаменту жизни;
- оценка хозяйственной емкости локальных и региональных экосистем страны, определение допустимого уровня воздействия на них;
- формирование эффективных систем воспитания, образования и пропаганды идей устойчивого развития.
Важнейшая роль в этих преобразованиях принадлежит науке. Необходима также реализация комплекса мер по сохранению жизни и здоровья людей, решению демографических проблем, борьбе с преступностью, искоренению бедности, уменьшению дифференциации в доходах населения.
Основные условияперехода к устойчивому развитию следующие:
- обеспечение прав и свобод граждан, рыночное хозяйство и гражданское общество;
- усиление роли общественных движений и различных групп населения, особенно молодежи, во всех преобразованиях и принятии решений;
- ведущая роль государства как гаранта политической, экономической, социальной, экологической, военной безопасности;
- создание отлаженной системы взаимодействия «центр - регионы»;
- строгое соблюдение ряда ограничений (преимущественное хозяйствование на уже освоенных территориях, отказ от реализации любых проектов, наносящих экологический ущерб, и др.).
Переход к устойчивому развитию страны должен быть обеспечен устойчивым развитием регионов. Проблемы, решаемые в регионах, должны соответствовать федеральным задачам. Важное значение имеет разработка межрегиональных программ нескольких субъектов РФ. Реконструкция промышленности регионов должна происходить с учетом хозяйственной емкости локаль-
ных экосистем. Программные документы федерального уровня служат ориентиром для региональных программ и определяют экономические условия их развития.
На этапе принятия Концепции создаются лишь рамочные условия, обеспечивающие сбалансированное функционирование триады: природа, население, хозяйство. При принятии решений необходимо выделять приоритеты, учитывать последствия реализации этих решений в социально-экономической и экологической сферах, делать оценку затрат, выгоды и рисков с соблюдением следующих условий:
- никакая хозяйственная деятельность не должна быть оправдана, если экологические ущербы превышают выгоды;
- минимизацию ущербов следует осуществлять до разумно возможного уровня.
Для управления процессом перехода к устойчивому развитию должны устанавливаться целевые ориентиры и контроль за их достижением. Целевые ориентиры выражаются в трех основных показателях: 1) качество жизни, 2) экономическое развитие, 3) экологическое благополучие.
Показателями качества жизнимогут быть здоровье людей, продолжительность жизни, уровень образования, доходы.
Экономическими показателямимогут служить: удельное потребление энергии и ресурсов; количество производимых отходов; соотношение между потребностями в ресурсах и их запасами и др.
Показатели экологического благополучия- это состояние окружающей среды, т. е. качество воздуха, вод, территорий, лесов с учетом их продуктивности и разнообразия обитающих видов.
Поскольку биосфера как регулятор условий существования жизни - единая система, то и переход к устойчивому развитию мирового сообщества реален только в условиях эффективного международного сотрудничества.
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы
Особая роль России в решении планетарных экологических проблем определяется наличием обширных нетронутых территорий, являющихся резервом устойчивости биосферы в целом.
Важнейшими научными проблемамив рамках международного сотрудничества являются: определение характеристик экологической устойчивости планеты в целом и основных подсистем биосферы: атмосферы, гидросферы, литосферы.
Достигнуть устойчивого развития можно лишь после решения беспрецедентных по масштабу социальных, экономических и экологических задач. Путь этот длительный. По мере продвижения по нему представления будут меняться, потребности людей -соизмеряться с возможностями природы, средства удовлетворения потребностей - совершенствоваться. Поэтому переход должен осуществляться поэтапно.
Начальный этап в России предопределен необходимостью решения острых экономических и социальных проблем. Тем более важно на этом этапе соблюдать экологические ограничения.
На следующем этапе должны осуществляться структурные преобразования в экономике и экологизация всех сфер природопользования, снижение использования природного ресурсного потенциала на душу населения.
На последних этапах решаются проблемы гармонизации взаимодействия с природой всего мирового сообщества на основе нового экологического мировоззрения, подразумевающего, что мы должны не воевать с природой, а сотрудничать с ней. Россия, как основной владелец ненарушенных экосистем, будет играть одну из ключевых ролей в этих процессах.
Устойчивое развитие в конечном счете должно привести к победе разума во взаимоотношениях Человека с Природой. Деятельность информированных индивидуумов и коллективов, основанная на реалистической надежде, экологическом понимании и стремлении стать частью природы, а не властвовать над ней, дает человечеству шанс на переход к устойчивому земному сообществу.
Контрольные вопросы
1. В чем основные причины конфликта природы и общества?
2. Какова приблизительно должна быть численность населения в городе, чтобы емкость среды не была превышена?
3. Можно ли безгранично накапливать экономические блага?
4. Каково основное содержание докладов Римского клуба?
5. В чем значение докладов Римского клуба?
6. Каково значение микро- и макрообучения в формировании экологического мировоззрения?
7. В чем различие между «линейной» и «круговой» экономикой?
8. Какие глобальные модели будущего мира вы знаете?
9. Какие выводы позволяют сделать глобальные модели развития?
10. Какова современная концепция развития мира?
11. В чем основные противоречия современного мира?
12. Какие основные документы были приняты на Конференции ООН в 1992 г. в Рио-де-Жанейро? В чем их значение?
13. Одинаковую ли ответственность несут слаборазвитые и промыш-ленно развитые страны за деградацию окружающей среды?
14. В чем смысл модели устойчивого развития?
15. Что означает «принцип упреждения»? Его положительная и отрицательная стороны.
16. Каковы основные положения программы «Повестка 21»?
17. Каковы основные задачи перехода России к устойчивому развитию?
18. Что может служить показателями устойчивого развития?
19. Каковы условия и этапы перехода России к устойчивому развитию?
20. Какова роль России при переходе к устойчивому развитию мирового сообщества?
Заключение
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основной задачей преподавания дисциплины «Экология» в технических вузах является формирование экологического мировоззрения на основе приобретенных знаний, которые помогут понять природу, свое место в ней, сохранить жизнь на Земле во имя нынешнего и будущих поколений.
Ухудшение состояния окружающей природной среды обусловлено, в основном, образом жизни современного человека. Согласно господствующим взглядам, ресурсы Земли неограниченны, как и жизненное пространство, а развивающиеся технологии, все возрастающие производство и потребление ведут к лучшей жизни для каждого.
Современный человек способен на многое. Он может расколоть горы; осушить реки и затопить долины; превратить леса в бросовую бумажную продукцию; отравить почвы и поля токсичными химикатами и пестицидами; загрязнить воздух парниковыми газами и кислотами, реки - канализационными стоками, моря - нефтью. Он может изобретать компьютеры, способные делать десять миллионов вычислений в секунду; запускать космические корабли и станции; создавать ядерное вооружение и атомные бомбы. Но для чего? Для того, чтобы увеличить объем и скорость движения природных ресурсов через потребительскую экономику на свалку утиля и отходов?
На самом же деле прогресс, направленный на улучшение мира в сиюминутных интересах человека, постепенно приводит нас вместо мира чудес в мир отходов, а качество жизни постоянно ухудшается. Сегодня необходимо всю энергию, силы и помыслы направлять на охрану и излечение Земли. Для этого нужно изменить систему взглядов на устройство мира и роль человека в этом мире.
Формирование мировоззрения, способствующего устойчивому развитию Земли, предполагает прохождение четырех уровней познания природы и причин возникновения экологических проблем.
На первом уровнерассматриваются проблемы загрязнения окружающей среды, угрожающие здоровью и благосостоянию человека: глобальное потепление, кислотные дожди, разрушение озонового экрана, загрязнение воздуха, воды, токсичные отходы, сведение лесов, опустынивание, исчезновение видов, истощение ресурсов и др., которые предусматривается решать с помощью юридических, технологических и экономических методов. Главная роль отводится человеку. Каждый отдельный человек считает свое воздействие на природу слишком незначительным, не понимая того, что миллиарды таких воздействий вместе угрожают существованию биосферы; люди убеждены, что экологические проблемы можно решить с помощью технологий и не желают изменять образ жизни.
Но в соответствии со вторым законом термодинамики каждое предпринимаемое нами действие, даже природоохранное, в той или иной мере негативно влияет на окружающую среду. Поэтому нет принципиальной возможности для технологического решения всех проблем загрязнения, хотя использование технологий может внести свой вклад в решение задачи сохранения окружающей природной среды.
На втором уровне приходит понимание, что основной при-
чиной загрязнения, деградации природной среды и истощения ресурсов планеты является сочетание перенаселения в развивающихся странах и перепотребления в промышленно развитых странах (население последних составляет 26 % от общей численности людей мира, а потребление мировых ресурсов ими достигает 80 %). Ответы кажутся очевидными: стабилизация численности населения и сокращение потребления материальных и энергетических ресурсов в развитых странах. Но решение этих проблем невозможно без реформирования общества, повышения экологического сознания и уровня образования, восстановления дикой природы. Заповедных, охраняемых территорий еще слишком мало, чтобы компенсировать отходы, образующиеся при расточительном использовании ресурсов. Человек продолжает считать себя выше природы и других видов.
Заключение
Заключение
На третьем уровнепознания главной целью развития становится использование технологий, экономических и политических систем для контроля роста населения, загрязнения и истощения ресурсов, предотвращения перегрузки природных экосистем путем преобразования современных промышленных сообществ в «постиндустриальные» высокотехнологичные общества. Надежды возлагаются на создание техногенных систем, подобных космическому кораблю, управлять которыми будут компьютеры, контролирующие загрязнение, производство достаточного количества продовольствия, добычу минеральных ресурсов, энергии и т. д. Если Земля окажется перенаселенной, то часть населения будет жить на космических станциях. Если истощатся минеральные ресурсы - их станут добывать на других планетах. С помощью биотехнологий будут контролировать эволюцию живых существ и создавать организмы, которые дадут больше пищи, очистят воду и воздух, переработают отходы и др. Такой взгляд на будущее - отражение нашего высокомерного отношения к природе, уверенности в том, что с помощью технологий и своей изобретательности человек может создавать искусственную окружающую среду и новые формы жизни для того, чтобы избежать излишних нагрузок на естественную природу Земли. Но следует учитывать, что жизнь астронавтов, например, контролируется наземным центром управления и они всегда надеются возвратиться на Землю. В основу жизни в такой технологически созданной среде изначально заложены культурное однообразие, строгая регламентация функций, снижение биоразнообразия. Задача состоит в том, чтобы научиться управлять техногенной биосистемой, когда технологии придется распространять на все сферы жизни. В конечном итоге это также приведет к перегрузке и разрушению природной среды и истощению ресурсов, потому что такое миропредставление основывается на ошибочной уверенности в том, что мы полностью понимаем жизнь природы и способны ее воспроизвести с помощью техники.
Четвертый уровеньпознания предполагает отказ человека от высокомерного отношения к природе и признание центром жизнеобеспечения Землю, а не себя. Необходимо настроится
на ритмы природы и доверять им, осознавая, что полностью понять их невозможно. Люди должны усвоить, что они принадлежат Земле, а не Земля им.
Новое экологическое мировоззрение включает ряд основополагающих представлений:
Все мы являемся частью - «простыми гражданами природы»; все живые существа взаимосвязаны и взаимозависимы.
Наша роль заключается в понимании и сотрудничестве с природой, а не в ее завоевании.
Каждое живое существо имеет право на жизнь вне зависимости от его полезности для нас в настоящем или будущем.
Наша основная задача состоит в том, чтобы сохранить устойчивость и разнообразие систем жизнеобеспечения для всех видов организмов. Вопросы о том, кому жить или умирать, должны решаться только в процессе эволюции.
Мы должны стремиться к сокращению численности населения, чтобы дать возможность существовать другим видам и экосистемам, защищать оставшиеся дикие экосистемы; по мере снижения прироста численности населения многие экосистемы следует вернуть первозданной природе.
Мы имеем право на защиту от опасных организмов и можем убивать другие организмы, но лишь тогда, когда это жизненно необходимо; у нас нет права делать это для удовлетворения своих прихотей.
Ресурсы Земли ограничены, никто не имеет права на бесконечное увеличение доли используемых ресурсов; необходимо отличать наши неограниченные запросы от истинных потребностей.
Все, что мы имеем, идет от Солнца и Земли, Земля без нас может существовать, а мы без нее нет.
Все люди должны нести персональную ответственность за сохранение Земли: производимые каждым отходы следовало бы складывать на собственном дворе, тогда каждый понял бы необходимость повторного использования и снижения их количества
Заключение
Заключение
Мировоззрение, провозгласившее своей целью сохранение жизни на Земле и создание экологически устойчивой экономики, не отвергает технологий. Но они должны использоваться в гуманных целях охраны всех форм жизни, а не для их разрушения. Технологии не следует поощрять и развивать только потому, что они теоретически возможны.
Сохранение жизни на Земле требует участия каждого из нас. Мы должны это сделать не потому, что этого требует закон, а для того, чтобы спасти себя как вид. Что может сделать каждый из нас?
Почувствуйте себя одним целым с окружающей природой.
Станьте экологически информированными.
Найдите место, которое Вы полюбите и станете защищать, потому что оно является частью Вас.
Ведите более простой образ жизни за счет снижения потребления и количества отходов.
Помните, что окружающая среда начинается дома.
Избегайте безразличия, унылого пессимизма, слепого технологического оптимизма и фатализма.
Участвуйте в решении политических проблем на местном и национальном уровнях.
Расширяйте свои познания о природе.
Как всего этого достичь? Живите по принципу: