Реферат по экологии. Краткий курс общей экологии. Часть 2_Миркин, Наумова_БГПУ, 2011. Краткий курс общей экологии
 Скачать 1.28 Mb.
|
|
1. Каково соотношение количества «живого» углерода на су- ше и в океане? 2. Каково соотношение количества «мертвого» углерода в атмосфере и в океане? 3. Какая доля «живого» углерода ежегодно вовлекается в кру- говорот? ivagant.ru 144 4. Какая доля углерода возвращается в атмосферу редуцента- ми наземных экосистем? 5. Перечислите факторы, нарушающие круговорот углерода. 6. Какие последствия может иметь усиление парникового эф- фекта? 16.3.3. Круговорот воды Вода испаряется не только с поверхности водоемов и почв, но и живыми организмами, ткани которых на 70 % состоят из воды (рис. 35). Рис. 35. Круговорот воды в биосфере Большое количество воды (около 1/3 всей воды осадков) ис- паряется растениями, особенно деревьями. Разные фракции воды гидросферы участвуют в круговороте по-разному и с разной скоростью. Так, полное обновление воды в составе ледников происходит за 8 тыс. лет, подземных вод – за 5 тыс. лет, океана – за 3 тыс. лет, почвы – за 1 год. Пары атмосферы и речные воды полностью обновляются за 10-12 суток. Важную роль в годовом водном балансе биосферы играет океан (табл. 30). Испарение с его поверхности примерно в два раза больше, чем с поверхности суши. А Т М О С Ф Е Р А (ОБЛАКА) ЛЕС ГОРОД ПОЛЕ ПРЕСНАЯ ВОДА (реки, ручьи, озера, вода в почве) ОКЕАН ivagant.ru 145 Таблица 30 Годовой водный баланс Земли (по Львовичу, 1986) Элементы водного баланса Объем, км 3 Слой, мм Периферическая часть суши (116800 км 2 ) Осадки 106000 910 Речной сток 44230 380 Испарение 61770 530 Замкнутая бессточ- ная часть суши (32100 км 2 ) Осадки 7500 238 Испарение 7500 238 Мировой океан (361100 км 2 ) Осадки 411600 1140 Приток пресных вод 44230 120 Испарение 455830 1260 Земной шар (510000 км 2 ) Осадки 525100 1030 Испарение 525100 1030 До развития цивилизации круговорот воды был равновесным, однако в последние десятилетия вмешательство человека нарушает этот цикл. В частности, уменьшается испарение воды лесами ввиду сокращения их площади и, напротив, увеличивается испарение с по- верхности почвы при орошении сельскохозяйственных культур. Ис- парение воды с поверхности океана уменьшается вследствие появ- ления на значительной части его поверхности пленки нефти. Влияет на круговорот воды потепление климата, вызываемое парниковым эффектом. При усилении этих тенденций могут произойти сущест- венные изменения круговорота, опасные для биосферы. ivagant.ru 146 Контрольные вопросы 1. Какой вклад в испарение воды вносит океан? 2. Какой вклад в испарение воды вносят растения? 3. С какой скоростью осуществляется круговорот разных фракций воды? 4. Расскажите о причинах нарушения круговорота воды. 16.3.4. Круговорот азота Циркуляция азота в биосфере протекает по следующей схеме (рис. 36): – перевод инертного азота атмосферы в доступные для расте- ний формы (биологическая азотфиксация, образование аммиака при грозовых разрядах, производство азотных удобрений на за- водах); – усвоение азота растениями; – переход части азота из растений в ткани животных; – накопление азота в детрите; – разложение детрита микроорганизмами-редуцентами, вплоть до восстановления молекулярного азота, который возвра- щается в атмосферу. В морских экосистемах азотфиксаторами являются цианобак- терии, связывающие азот в аммиак, который усваивается фито- планктоном. В настоящее время, вследствие уменьшения доли естествен- ных экосистем, биологическая азотфиксация стала меньше про- мышленной фиксации азота (соответственно 90-130 и 140 мил- лионов тонн в год), причем к 2020 г. ожидается увеличение про- мышленной азотфиксации на 60 %. До половины азота, вносимо- го на поля, вымывается в грунтовые воды, озера, реки и вызывает эвтрофикацию водоемов. ivagant.ru 147 Рис. 36. Круговорот азота в биосфере Значительное количество азота в форме оксидов азота посту- пает в атмосферу, а затем в почву и водоемы в результате ее за- грязнения промышленностью и транспортом (кислотные дожди). Этот азот был изъят из атмосферы экосистемами геологического прошлого и длительное время находился «на депоненте» в угле, газе, нефти, при сжигании которых он возвращается в кругово- рот. Например, в США с атмосферными осадками выпадает 20- 50 кг/га в год азота, а в отдельных районах эмиссия достигает 115 кг/га. Экологически безопасной считается величина эмиссии азота 10-3 кг/га в год. При более высоких нагрузках происходят значи- тельные изменения в экосистемах: почвы подкисляются, проис- ходит выщелачивание питательных элементов в глубокие гори- зонты, возможно усыхание древостоев и массовое развитие за- носных видов-нитрофилов. Кроме того, высокое содержание азо- та в растениях, выросших на загрязненных азотом почвах, повы- шает их поедаемость, что может привести к выпадению из расти- А З О Т А Т М О С Ф Е Р Ы Грозовые разряды Заводы удобрений ПОЧВА Ископаемые энергоносители (сжигание ) Гумус Микро- организмы Минеральные соединения Водоемы Животные Растения Кислотные дожди ivagant.ru 148 тельных сообществ даже доминантных видов. Так, в некоторых пустошах Западной Европы после того, как в вереске повысилось содержание азота, массово размножился вересковый жук (его ко- личество достигало 2000 экземпляров на 1 м 2 ). Жук практически полностью выел этот кустарник из сообществ. Те же изменения в составе загрязняемых промышленным азотом сообществ отмече- ны и в Калифорнии. Однако не всегда кислотные дожди оказывают пагубное влияние на экосистемы. Экосистемы степной зоны, где почвы имеют слабощелочную реакцию, от выпадения кислотных дож- дей не только не страдают, но даже увеличивают свою продук- тивность за счет дополнительного азота. Восстановление естественного круговорота азота возможно за счет уменьшения производства азотных удобрений, резкого сокращения промышленных выбросов оксидов азота в атмосферу и расширения площади посевов бобовых, которые симбиотиче- ски связаны с бактериями-азотфиксаторами. Контрольные вопросы 1. Перечислите основные этапы круговорота азота. 2. Через какие каналы атмосферный азот попадает в экоси- стемы? 3. Какой вклад в круговорот вносит техногенный азот? 4. Расскажите о вкладе в круговорот азота сжигания азотсо- держащих энергоносителей. 5. Что нужно сделать для нормализации коуговорота азота? 16.3.5. Круговорот кислорода Кислород атмосферы имеет биогенное происхождение и его циркуляция в биосфере осуществляется путем пополнения запа- сов в атмосфере в результате фотосинтеза растений и поглощения при дыхании организмов и сжигании топлива в хозяйстве челове- ка (рис. 37). Кроме того, некоторое количество кислорода образу- ется в верхних слоях атмосферы при диссоциации воды и разру- шении озона под действием ультрафиолетового излучения; часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной ко- ре, при вулканических извержениях и др. ivagant.ru 149 Рис. 37. Круговорот кислорода в биосфере Этот круговорот очень сложный, так как кислород вступает в разнообразные реакции и входит в состав очень большого числа органических и неорганических соединений, и замедленный. Для полного обновления всего кислорода атмосферы требуется около 2 тысяч лет (для сравнения: ежегодно обновляется около 1/3 ди- оксида углерода атмосферы). В настоящее время поддерживается равновесный круговорот кислорода, хотя в крупных густонаселенных городах с большим количеством транспорта и промышленных предприятий возни- кают локальные нарушения. Однако отмечено ухудшение состояния озонового слоя и об- разование «озоновых дыр» (областей с пониженным содержани- ем озона) над полюсами Земли, что представляет экологическую опасность. Временные «дыры» возникают также над обширными районами вне полюсов (в том числе и над континентальными районами России). Причиной этих явлений является попадание в озоновый слой хлора и оксидов азота, которые образуются в поч- ве из минеральных удобрений при их разрушении микроорганиз- мами, а также содержатся в выхлопных газах автомобилей. Вклад в разрушение озонового слоя вносят и фреоны, используемый в холодильниках. Эти вещества разрушают озон с более высокой скоростью, чем он может образовываться из кислорода под влия- нием ультрафиолетовых лучей. ФОТОСИНТЕЗ ДЫХАНИЕ СЖИГАНИЕ К И С Л О Р О Д АВТОТРОФЫ ГЕТЕРОТРОФЫ ИСКОПАЕМОЕ ТОПЛИВО И БИОМАССА РАСТЕНИЯ ЦИ АН О - БАКТЕР ИИ ЖИВО ТН ЫЕ БАКТЕР ИИ ГРИ Б Ы ДЫХАНИЕ ivagant.ru 150 Сохранение озонового слоя – одна из глобальных задач мирово- го сообщества. Главный международный документ, регламенти- рующий выбросы в атмосферу озоноразрушающих веществ (ОРВ) – «Монреальский протокол» (1987 г.). Это соглашение запрещает ка- кие-либо торговые операции с ОРВ между странами, подписавшими и не подписавшими протокол. Все страны-участницы Протокола ищут приемлемую альтернативу ОРВ. Практически она уже найдена при производстве аэрозолей и вспененных полимерных материалов. Наибольшие трудности внедрения озонобезопасных веществ – при производстве холодильного оборудования, хотя ряд немецких, швейцарских и некоторых других европейских фирм с успехом за- менили фреон изобутаном. По данным ООН, только с 1986 по 1998 гг. потребление хлорфторуглеродов сократилось с 1,1 млн. т до 156 тыс. т. В настоящее время их потребление еще ниже. Так как озон является фотооксидантом, образующимся из ок- сида азота и углеводородов под влиянием ультрафиолетовых лу- чей, то возможно увеличение его содержания в приземном слое атмосферы. В этом случае он оказывается опасным загрязните- лем, вызывающим раздражение дыхательных путей человека. Однако отрицательно сказывается на здоровье человека и чрез- мерно низкое содержание озона в атмосфере. Контрольные вопросы 1. Назовите основной источник пополнения запаса кислорода в атмосфере. 2. Укажите, при каких процессах происходит поглощение ки- слорода из атмосферы. 3. За какое время происходит обновление запаса кислорода в атмосфере? 4. Охарактеризуйте проблему сохранения озонового слоя ат- мосферы. 16.3.6. Круговорот фосфора О круговороте фосфора за обозримое время можно говорить лишь условно. Будучи гораздо тяжелее углерода, кислорода и азота, фосфор почти не образует летучих соединений – он стекает с суши в океан, а возвращается в основном при подъеме суши в ivagant.ru 151 ходе геологических преобразований. По этой причине круговорот фосфора называют «открытым» (рис. 38). Рис. 38. Круговорот фосфора Фосфор содержится в горных породах, откуда выщелачивает- ся в почву и усваивается растениями, а затем по пищевым цепям переходит к животным. После разложения мертвых тел растений и животных не весь фосфор вовлекается в круговорот, часть его вымывается из почвы в водоемы (реки, озера, моря). Там фосфор оседает на дно и почти не возвращается на сушу, лишь неболь- шое количество его возвращается с выловленной человеком ры- бой или с экскрементами птиц, питающихся рыбой. Скопления экскрементов морских птиц служили в недалеком прошлом ис- точником ценнейшего органического удобрения – гуано, однако, в настоящее время ресурсы гуано практически исчерпаны. Отток фосфора с суши в океан усиливается вследствие воз- растания поверхностного стока воды при уничтожении лесов, распашке почв и внесении фосфорных удобрений. Поскольку за- пасы фосфора на суше ограничены, а его возврат из океана про- блематичен (хотя в настоящее время активно исследуются воз- можности его добычи со дна океана), в будущем в земледелии возможен острый дефицит фосфора, что вызовет снижение уро- жаев (в первую очередь зерна). Поэтому необходима экономия ресурсов фосфора. Ест еств енное выветривание ГОРНЫЕ ПОРОДЫ ЗАВОДЫ УДОБРЕНИЙ ПОЧВ А ВОДОЕМЫ Микроорганизмы РАСТЕНИЯ ЖИВОТНЫЕ ivagant.ru 152 Контрольные вопросы 1. Почему круговорот фосфора называется открытым? 2. Где сконцентрированы запасы фосфора? 3. Почему фосфор концентрируется на дне океанов? 4. Какие последствия для сельского хозяйства будет иметь исчерпание запасов фосфора? 16.4. Ноосфера и техносфера Биосфера изменяется под влиянием развития цивилизации. В начале ХХ века В.И. Вернадский сформулировал гипотезу ноосфе- ры как равновесной биосферы, преобразованной разумом человека. Однако реалии развития цивилизации в ХХ столетии привели не к формированию гармоничной биосферы, а к превращению значи- тельной ее части в техносферу, т.е. биосферу, нарушенную челове- ком. В этом разделе мы познакомимся с гипотезой В.И. Вернадского и с основными чертами биосферы на рубеже тысячелетий. Гипотеза ноосферы. По В.И. Вернадскому, «мысль человече- ская» – планетарное явление, которое развивается в направлении поиска путей гармонизации отношений человека и природы пу- тем регулирования основных круговоротов веществ. Важная со- ставляющая этой гипотезы – переход человека на автотрофное питание: замена цепи «солнце – растение (животное) – человек» цепью «солнце – завод – человек». Производство искусственной пищи, по мнению Вернадского, должно снять проблему голода и обеспечить продовольствим 30 млрд. человек. Сегодня эта гипо- теза подвергается острой критике. Во-первых, «мысль человеческая», к сожалению, развивается в направлении, противоположном прогнозу Вернадского. Она изыски- вает не пути гармонизации отношений Человека и Природы, а разра- батывает все более изощренные технологии эксплуатации природы. Во-вторых, автотрофное питание человека невозможно в принципе, так как получать искусственную пищу человек не нау- чился и видимо не научится. Впрочем, если бы это все-таки стало возможным, то не сделало бы отношения человека и природы гармоничными. Снятие продовольственного ограничения с роста народонаселения привело бы к разрушению биосферы из-за пре- вышения допустимых пределов потребления всех других ресур- ivagant.ru 153 сов – воды, энергоносителей, минеральных веществ, биологиче- ского разнообразия и т. д. В-третьих, утопична идея замены естественных процессов саморегуляции в биосфере системой искусственного управления. «Очень большие системы», к числу которых относится биосфера, практически не моделируются. И потому последствия крупных вмешательств человека в природу не прогнозируются, пример тому – трагедия Арала. Биосфера подобна грандиозному рынку, в котором стохастически регулируются потоки вещества и энергии. Его замена на «плановую экономику» также бесперспективна, как плановое управление экономикой больших стран. Нарушив «биосферный рынок», человек погибнет. Таким образом, человек может сохраниться только вместе с биосферой, встроив свою хозяйственную деятельность в биосфер- ные циклы. Н.Н. Моисеев писал о возможности «коадаптации чело- века и биосферы» и формирования на этой основе ее некого «ква- зиустойчивого состояния». При таком состоянии биосферы измене- ния круговоротов веществ не будут превышать пороговых значений, за которыми начинаются ее необратимые изменения. Техносфера. В противовес романтической гипотезе ноосферы В.И. Вернадского в современном мире сформировалась техно- сфера как часть биосферы, искалеченная нерациональным приро- допользованием. Понятие техносферы интегрирует все рассмот- ренные выше примеры нарушений географических оболочек Земли и биосферы в узком смысле. Доля ненарушенных экоси- стем продолжает уменьшаться (табл. 31), они занимают уже ме- нее 2/3 суши планеты, а в Европе – всего 1/3. Таблица 31 Площади суши с ненарушенными, частично нарушенными и нарушенными естественными экосистемами (по Данилову-Данильяну и др., 2001) Континент Общая площадь, тыс. км 2 Ненару- шенная территория, % Частично нарушен- ная терри- тория, % Нарушен- ная терри- тория, % Европа 8 759,3 15,6 19,6 64,9 ivagant.ru 154 Азия 53 311,6 43,5 27,0 29,5 Африка 33 958,3 48,9 35,8 15,4 Сев. Аме- рика 26 179,9 56,3 18,8 24,9 Юж. Аме- рика 20 120,3 62,5 22,5 15,1 Австралия 8 487,3 62,3 25,8 12,0 Антарктида 13 209,0 100,0 0,0 0,0 Вся суша, без учета ледяных, скальных и оголенных поверхно- стей 134 904,5 27,0 36,7 36,3 Контрольные вопросы 1. Расскажите о гипотезе ноосферы В.И. Вернадского. 2. В чем заключается принцип квазиустойчивого равновесия биосферы? 3. Что такое техносфера? 16.5. Устойчивое развитие Невозможность построения ноосферы в понимании В.И. Вернадского и опасность превращения биосферы в техно- сферу подталкивают мировое сообщество к поиску пути преодо- ления возможного экологического кризиса. Этот путь – переход человечества на устойчивое развитие (перевод английского тер- мина «sustainable development»), т. е. такую модель социально- экономического развития, при которой экономический рост не ведет к ухудшению состояния окружающей среды. Жизненные потребности каждого поколения людей удовлетворяются без ущерба для будущих поколений: не исчерпываются природные ресурсы и не происходит деградация окружающей среды. Впервые термин «устойчивое развитие» был использован в докладе «Всемирная стратегия охраны природы» (1980 г.), пред- ставленном Международным союзов охраны природы, а в обиход ivagant.ru 155 вошло после публикации доклада «Наше общее будущее» (1987 г.), подготовленного Комиссией ООН по окружающей сре- де и развитию. Представления об устойчивом развитии красной нитью прошли через документы, принятые на первой Междуна- родной конференции по окружающей среде и развитию в Рио-де- Жанейро в 1992 г. («Рио-92») и получили дальнейшее развитие на второй аналогичной конференции в Йоханнесбурге в 2002 г. («Рио+10»). В настоящее время 140 стран (в том числе Россия) приняли документы, подтверждающие их приверженность идее устойчивого развития. По решению ООН 2005 год объявлен на- чалом десятилетия образования для устойчивого развития. Представления об устойчивом развитии включают следую- щие положения: регулирование роста народонаселения; уменьшение разрыва между уровнем жизни населения бога- тых и бедных стран; обеспечение продовольственной безопасности; экологизация энергетики; ресурсосбережение; снижение уровня загрязнения окружающей среды; сохранение биологического разнообразия; усиление международного сотрудничества в области охраны окружающей среды; повышение уровня экологической культуры населения, пре- одоление потребительства. Однако конкретные характеристики общества устойчивого раз- вития разные экологи видят по-разному. Более того, как подчерки- вал крупный философ ХХ столетия К. Поппер, построение досто- верных прогнозов развития человечества на длительный срок не- возможно, так как всегда могут иметь место непредвиденные собы- тия – крупные достижения технологии, войны, революции, синер- гические эффекты, связанные с потеплением климата, и т.д. На сегодняшний день сложилось три основных видения бу- дущего (экологических мировоззрений, Миркин, Наумова, 2006). Консервационизм. В основе этого экологического мировоз- зрения лежит девиз «Назад в природу». В наиболее последова- тельном варианте представления консервационистов разработаны в России (В.Г. Горшков, В.И. Данилов-Данильян) и опираются ivagant.ru 156 «гипотезу биотической регуляции биосферы» и «принцип 1%». В соответствии с этими представлениями для обеспечения устойчи- вого развития человечества необходимо резко, примерно в 10 раз, снизить потребление первичной биологической продукции (сего- дня потребление в среднем превышает 10 %, а в отдельных ре- гионах мира превышает 40 %). Это позволит восстановить равно- весность всех биосферных круговоротов веществ, резко снизить уровень загрязнения окружающей среды, осуществить переход на нетрадиционную энергетику (на основе возобновимых источни- ков энергии), экологизировать промышленность, заменить боль- шие города экологичными экосити, перейти на органическое сельское хозяйство («без химии»), довести долю охраняемых природных территорий до 70 % и т. д. Однако для реализации «принципа 1%» необходимо осуще- ствить депопуляцию – уменьшить численность народонаселения планеты в 10 раз, что практически невозможно. Аргументирован- ная критика гипотезы биотической регуляции биосферы в пони- мании В.Г. Горшкова содержится в работах Н.Ф. Глазовского, А.М. Тарко, В.С. Голубева, В.С. Савенко и др. Сциентизм (технократический подход). Это мировоззрение исходит из положения «наука может все». Как основа устойчиво- го развития рассматривается дальнейший экономический рост при замене исчерпаемых энергетических и материальных ресур- сов их новыми эквивалентами. Этот подход сегодня характерен для политиков США (впрочем, и гипотеза ноосферы также пред- ставляет собой один из вариантов сциентизма). Сциентизм явля- ется наиболее опасным мировоззрением, которое может привести человечество к кризису. Экологический центризм. Это наиболее реалистическое ми- ровоззрение, ориентирующее на ограниченный экономический рост при экологизации всех сфер производства и охвате разными формами охраны 1/3 территории планеты. Экологический цен- тризм составляет основу прогнозов экспертов ООН. В табл. 32 приведены основные характеристики общества ус- тойчивого развития при разных сценариях будущего. ivagant.ru 157 Таблица 32 Сравнение основных прогнозных сценариев будущего Сценарии и их основные характеристики Консервационизм Экологический цен- тризм Сциентизм Предел численности народонаселения планеты (млрд. человек) 0,5-1,5 8-11 30-50 Уровень урбанизации Снижается, на сме- ну мегаполисам и крупным городам приходят экосити Повышается, экологизируются крупные города, включая мегаполисы Изменение величины мирового энергопотребления Снижается в 6-10 раз Увеличивается в 2-3 раза Увеличивается в 10 и более раз Структура энергетики Энергетика на ос- нове ВИЭ (возоб- новимых источни- ков энергии) Полиэнергетика: атомная, на основе ВИЭ, тепловая Преобладание атом- ной энергетики Характер сельского хозяйства Органическое (низ- кая доля пашни, не используются ми- неральные удобре- ния и пестициды, экстенсивный от- корм скотаза счет естественных кор- мовых угодий) Компромиссное (минеральные удоб- рения и пестициды используются в умеренных дозах, комплексные кор- мовые рационы с участием кормов с пашни) Интенсивное (ши- роко используются закрытый грунт, вы- сокие дозы мине- ральных удобрений и пестицидов, оро- шение, интенсив- ный откорм крупно- го рогатого скота, свиней, птицы кор- мами с пашни) Основные минеральные ресурсы Вторичные первичные и вто- ричные при разви- тии ресурсосбере- гающих технологий замена исчерпанных ресурсов их новыми эквивалентами ivagant.ru 158 Загрязнение окружающей среды Минимальное за счет закрытия всех экологически гряз- ных производств и внедрения безот- ходных технологий Умеренное за счет малоотходных техно- логий, усовершенствованных очистных сооружений и захоронения особо опасных отходов Охрана биоразнообразия Полное сохранение Сохранение боль- шей части Сохранение 30-50% Доля охраняемых природных территорий на планете 70% 33% Менее 10% В заключение отметим, что концепция устойчивого развития сформулирована только в самом общем плане, ее можно сравнить с «философским камнем», используя который средневековые ал- химики пытались из неблагородных металлов получать благо- родные. Этот «камень» не был найден, однако в процессе его по- иска родилась химия. В процессе реализации концепции устой- чивого развития мировое сообщество найдет способы избежать экологической катастрофы (Марфенин, 2007). Контрольные вопросы |