Лекции по экологии. Лекция тема наукаэкологи я. План лекции Предмет. Цели и задачи. Методология. Структура и отрасли
 Скачать 0.87 Mb.
|
Роль литосферы в биосфереНельзя не видеть, как в великий круговорот веществ в природе, в биохимические циклы вовлекаются почвенно-растительным покровом суши десятки миллионов тонн таких минеральных веществ, как соединения фосфора, кальция, калия, серы, кремния, магния. Именно вода, углекислота, соединения азота и фосфора, предоставляемые растениям почвенным покровом, являются созидателями живого вещества эти циклически накапливаются созидателями живого вещества - биомассы урожая. В ходе почвообразовательных процессов вещества эти циклически накапливаются в верхних, гумусовых горизонтах плодородных почв. Так, являясь продуктом биосферы, почвенный покров выступает важнейшим звеном в ее биогеохимическом механизме. Педосфера с ее гумусовой оболочкой как биоэнергетическая и биогеохимическая система обладает способностью саморазвития, саморегуляции и управления, обеспечивая незаменимые условия существования растений, животных, микроорганизмов и воспроизводства биомассы живого вещества. Эти особенности земли - почвенного покрова и создают плодородие в биосфере. А благодаря плодородию почвенно-экологических систем, способности воспроизводить биомассу и приспосабливаться к изменениям физических факторов окружающей среды они стали основой жизнедеятельности человека, появившегося в биосфере, а затем и экономического развития человеческого общества (производство продовольствия, натурального сырья, энергии). Так почвенный покров превратился в главную экологическую нишу в биосфере. Ведь по крайней мере все наземные растения (первично продуцирующие биомассу), а также растительноядные и плотоядные животные суши, не говоря уже о бесчисленных и вездесущих микроорганизмах, в основном являются обитателями почв. Они живут на ней или в ней, оставаясь здесь посмертно. И человечество не составляет исключения - метаболиты (продукты обмена веществ) организма человека, останки его неразрывно связаны с землей. Именно в экологических системах почвы обеспечивают водное, минеральное и газовое питание растений, их рост и фотосинтетическую активность. Производимые же углеводы, жиры и белковые соединения, химически связанная энергия биомассы растительного происхождения становятся начальным звеном пищевых цепей «растения - животные - микроорганизмы». Благодаря этому приводятся в движение биогеохимические круговороты химических элементов - их потоки в экосистемах, в ландшафтах в целом, в масштабах континентов, планеты. Представляется, что почвенный покров в саморазвитии как бы стремится увеличить до известных пределов мощность своих горизонтов, запасы подстилки и гумуса, содержание биогенных химических элементов, а тем самым и уровень плодородия. В этом проявляется одно из фундаментальных свойств живого на Земле. Важнейшей функцией почвенного покрова (педосферы) является стабильное обеспечение благоприятных условий для существования и воспроизводства жизни на планете во всем разнообразии ее форм. И в этом отношении почвенный покров сравним с защитным экраном жизни озоновым слоем стратосферы. Так или иначе, дальнейшее антропогенное разрушение, деградация, истощение почвенного покрова (которые ныне происходят со скоростью 150 тыс. кв. км в год!), замещение его непродуктивными территориями будут неизбежно сопровождаться неблагоприятными для существования жизни изменениями гидрологического, теплоэнергетического, геохимического и атмосферно-климатического режимов, могут вызвать катастрофические сдвиги во всей биосфере. И прежде всего можно ли забывать, что почвенно-растительный покров важен для нас" как производитель кислорода, оптимального состава пригодного для дыхания воздуха, биологически чистой воды. Например, газово-атмосферная функция почвенного покрова выполняет в биосфере важнейшую роль поддержание оптимального современного климата (водно-теплового режима). И повсеместное восстановление лесов, травянистых лугов, обогащение почв гумусом, повышение биопродуктивности в земледелии позволят, в частности, обеспечить нормализацию содержания углекислого газа в атмосфере, предотвратить рост его концентрации. Ведь биомасса лесов и трав, гумусовые горизонты почв, торфяники, подводные почвы, сапропели, древние болотные и дельтовые почвы, послужившие основой образования каменного угля, прослоев погребенных масс мелкозема и древних гумусовых горизонтов, вывели из атмосферы прошлых геологических эпох огромные количества углекислоты, обогатив воздух кислородом с помощью растений. Возобновима ли земля как ресурс для развития человечества? Земельные ресурсы прежде всего незаменимы. Не в наше время, ни в обозримой перспективе почвенный покров не может быть искусственно заменен. Но это хрупкий ресурс, легко истощающийся в процессе хозяйственного использования, если оно нерационально. Конечно, почвенный покров обладает способностью к самовосстановлению в природных циклах биосферы. Как и сама жизнь, процессы образования почв обладают большой приспособляемостью, способностью к самосохранению, развитию и расширенному воспроизводству живого вещества. Однако как ресурс для хозяйственного использования почва практически невозобновима: самовосстановление ее немыслимо в сроки, соизмеримые с ускоряющимися темпами экономического развития человечества. Современный почвенный покров с этой точки зрения - долгожитель. Хотя в целом он довольно «молод» (в геологическом смысле), возраст его охватывает период от столетий и нескольких тысячелетий до 1 - 2 миллионов лет. К сожалению, об этой истине приходится напоминать и сегодня, когда буквально на протяжении жизни одного поколения все заметное убывает исконное плодородие таких лучших в мире наиплоднейших земель, как черноземы. А ведь потенциал их накапливался на протяжении тысячелетий доземледельческого периода. Не случайно в свое время эталоном плодородия почв был выбран кубический метр воронежского чернозема - наши плодороднейшие земли являются поистине бесценным даром природы. Во всем мире площади черноземов составляют ныне 300 миллионов гектаров, в том числе в нашей стране - 190 миллионов. Но и с появлением земледелия почвы восполняли свое плодородие, когда «уставшие» земли оставались под залежь, под пары, забрасывались - не все было распахано. Земли восполняли свое плодородие, а крестьянин с сохой, лошадью и коровой как бы вписывался в естественный ход событий, в природные круговороты веществ и энергии. Урожай биомассы распределялся и потреблялся в основном там же, где и производился, а не отчуждался от почвы практически полностью, как теперь. Также содержание и выпас скота, осуществлявшиеся тем же землепашцем, происходили в условиях замкнутой агроэкологической системы. С появлением и ростом промышленности, урбанизации и городского населения промышленно развитых стран отчуждение урожаев становится тревожным фактором: биомасса в виде отходов и остатков во все большей мере накапливается и минерализуется там, где она утрачивается безвозвратно для сельскохозяйственного оборота, да и почв природных экосистем. А при выращивании зерновых, зернофуражных, технических культур, кормов, картофеля возвращается почве в лучшем случае половина того, что изъято с урожаем. Такая тенденция имеет глобальный характер в наше время. Вмешательство человека в энергетические балансы в биосфере уже сказывается в уменьшении на суше запасов биомассы и энергии, связанной в почве. Сокращение площади лесов, сжигание древесины, минерализация навоза, подстилок, опада и разрушение гумуса почв - все это уменьшило энергетические ресурсы экосистем на 25 - 50 процентов. Но выросло поступление энергии в окружающую среду за счет использования, прежде всего ископаемого топлива, а также гидроэнергии. Однако это не возместило потери энергии истощенных и разрушенных почв, а интенсивность эрозии, которая за минувшие полстолетия выросла почти на порядок, может увеличиться вдвое. Эрозионное разрушение, выдувание, смыв поверхностного почвенного горизонта и с ним гумуса, азота, фосфора, калия в реки и океаны особенно чреваты сокращением плодородия земельных ресурсов. Вместе с тем, если учитывать эти обстоятельства, основываться в земледелии и, прежде всего в мелиорации на знаниях природных закономерностей, действовать умело и осторожно, по принципу «не повреди», продуманно и точно, как в медицине, имеющей дело с живым организмом, то производительная способность - плодородие почв будет расти. Антропогенное воздействие на литосферу Литосфера нашей планеты, в обиходе называемая сушей или просто землей, наряду с атмосферой или гидросферой втянута в круг деятельности живого и в значительной мере преобразована им. Толщина земной коры под материками достигает 30 —70 километров, под океаном этот слой гораздо тоньше, где-то в пределах 3-10 километров, да и по своему строению участки коры океанского дна значительно отличается от материковых. Суша - главная обитель жизни. Несмотря на то, что площадь суши в четыре раза меньше площади, занимаемой поверхностью океана, на ней сосредоточено около 57% биомассы планеты. Суша - это, прежде всего почвенный покров, то есть, согласно учению основоположника научного почвоведения В.В. Докучаева, верхний слой земной коры, видоизмененный рядом факторов, но не последнее место среди которых принадлежит живым организмам. Это главный поставщик продуктов питания человека. Суша - основной источник и резервуар пресной воды. На суше сосредоточены наиболее удобные для эксплуатации запасы сырьевых и энергетических ресурсов. Земная поверхность в первую очередь явилась объектом активной природопреобразующей деятельности общества и сильнее, чем остальные геологические сферы, подверглась изменениям с его стороны. Некоторые из них_ привели к результатам, которые никак нельзя считать положительными. Начнем с изменения почвы. От количества и состояния пригодных к использованию в хозяйстве почв во многом зависит решение продовольственной проблемы на планете. Сегодня человек использует менее половины (41%) пригодной для сельского хозяйства площади земель. Казалось бы, о чем беспокоится – такой солидный резерв! Однако дело в том, что и качество, и размеры этих площадей в различных районах Земли неодинаковы. Так в Латинской Америке освоено лишь 1 7%, а в Западной Европе - 88% пригодных земель. Кроме того, современное человечество лишилось как минимум 50 млн. га распахивавшихся ранее площадей. Разумеется, есть много причин, по которым общество лишается земельных угодий. Среди них и вполне объективные, связанные с ростом населенных пунктов, строительством промышленных и горнодобывающих предприятий, транспортных линий и т. п. Но значительные негативные изменения состояния земной поверхности в целом вызвано именно нерациональными действиями людей, источник которых не только в уровне знаний, но и в погоне за сиюминутной экономической выгодой. Уничтожение лесов, а за последние 2-3 тысячелетия люди умудрились уничтожить I около половины лесных массивов, неправильные методы земледелия и ряд других факторов привели к потере этих миллионов гектаров. Поверхностные нарушения литосферы Человек существует в определенном пространстве, и основной составляющей этого пространства служит земная поверхность -поверхность литосферы. В процессе эволюции человек начал изменять земную поверхность, но особо крупных масштабов эти изменения достигли в последние сорок лет. Это хорошо иллюстрируют данные о строительстве крупных водохранилищ: 90%крупных водохранилищ мира были построены после 1950 г., а в СССР в этот период построено 94% крупных водохранилищ. Нарушения поверхности литосферы начинаются с самого малого - со строительства жилища, когда необходимо выравнивание поверхности и закладка фундамента. Основной рост подобных нарушений происходил именно после 1950 г., когда во всем мире, и в том числе в России шел быстрый процесс урбанизации, приведший к удвоению численности городского населения. В это же время интенсивно развивалась хозяйственная инфраструктура, что сопровождалось серьезными изменениями поверхности литосферы – строились железные и автомобильные дороги, прокладывались продуктопроводы, линии электропередачи и связи. Общая площадь нарушений городской застройкой и хозяйственной инфраструктурой на территории России составляет порядка 3,5 млн. км2. Помимо водохранилищ, занимающих в России 5,5 млн. га, построены каналы большой протяженности, сети мелких каналов, а также дренажные системы. В сетях каналов, как оросительных, так и дренажных, которые в большинстве своем не облицованы, идут активные эрозионные процессы. Подобные нарушения поверхности занимают на территории России более 12,3 млн. га, из которых примерно половину составляют осушенные земли. На многих осушенных землях сейчас наблюдаются понижения и осадка грунта в результате «выгорания» торфа и разрушения подземных дренажных систем. Перегороженные плотинами реки оказываются нарушенными практически на всем протяжении, так как выше водохранилища меняется баланс стока наносов, значительная часть которых задерживается в верхнем бьефе плотины. В результате ниже водохранилища идет эрозия русла, а в устье начинают происходить изменения, обусловленные нарушением баланса наносов. Особенно это заметно на краснодарском побережье Черного моря, где в результате нарушения естественного стока наносов идет быстрый размыв пляжей, поэтому вся полоса побережья застроена бетонными шпорами. Здесь зону поверхности литосферы от предгорий, занятых дорогами и городами, до прибрежной части моря следует признать полностью нарушенной. Широко ведущиеся горные разработки на значительных площадях нарушают поверхность литосферы при создании карьеров, разрезов, подъездных путей к ним. По статистическим данным, площадь, нарушения земель в связи с несельскохозяйственной деятельностью в 1989 г. составила 1,2 млн. га. Хотя указывается, что из этой площади отработано 0,4 млн. га, но это тем не менее уже нарушенный участок литосферы. В Западной Сибири, особенно в ее северной части, где ведутся поиски нефти и газа, развивается новый тип антропогенных нарушений поверхности литосферы. Широко используемые здесь вездеходы создают колеи, в которых процесс восстановления растительного покрова не может происходить быстро, так как тундровая и лесотундровая растительность восстанавливается очень медленно. Опережающе развивается процесс эрозии почвы, так как колеи служат бороздами стока для талых и дождевых вод. На месте сети путей движения вездеходов формируется антропогенная дренажная сеть. Еще один путь нарушения литосферы - геологоразведочные работы, которые сопровождаются копанием шурфов, бурение мелких скважин, взрывами приповерхностных зарядов при проведении сейсмической разведки и т.п. При региональных исследованиях заряды достигают 1000 кг и могут влиять на 100 - метровую толщу породы. Площадь, охваченная антропогенными нарушениями поверхности литосферы составляет более 5% территории России. Нарушения поверхности литосферы - далеко не безобидное явление. Нарушения приводят, как правило, к активизации опасных стихийных явлений: оползней, обвалов, просадок грунтов, создают условия для формирования селей и снежных лавин, способствует увеличению поверхностного стока, меняют условия инфильтрации и движения флюидов в грунтах, нарушают сообщества почвенно-грунтовых организмов и микробный « фильтр», регулирующий потоки газов из недр земли. Нарушения литосферных флюидов На территории России происходит крупномасштабное вмешательство человека в системы водоносных, нефтеносных и газоносных горизонтов литосферы, как в неглубоко залегающие, так и в глубокие. Воздействие на литосферные флюиды осуществляется несколькими путями. Часть поверхностного стока переводится в подземный, особенно при орошении. Сельское хозяйство России в 1989 г. потребовало 39 кубических километров воды в год. Основная часть этой воды используется на орошении. При орошении в магистральных каналах и непосредственно на полях теряется на фильтрацию до 30% воды, что выражается величиной, превышающей 10 кубических километров. В результате на значительной части орошаемой территории происходит подъем уровня грунтовых вод, и даже возникают заболоченные площади. Уже сейчас по этой причине не используется 200 тысяч га орошаемых земель, а площадь, на которой повысился уровень воды, достигает миллион гектаров. Другой путь перевода поверхностного стока в толщу литосферы - это подтопление в районах создания водохранилищ, где уровни воды поднялись на десятки сантиметров и на метры. Такой подъем грунтовых вод и заполнение водой ранее ненасыщенной зоны меняет механические свойства грунтов, способствует разрушению берегов водохранилищ, развитию суффозии и появлению зубчатых песков, развитию карста и т.п. Можно предполагать, что под крупными водохранилищами в местах разломов земной коры не исключено проникновение поверхностных вод в глубокие пласты и в глубоко залегающие водоносные горизонты. Это может порождать повышенную сейсмичность, что хорошо известно из практики строительства крупных водохранилищ. Поэтому во многих городах оказываются затопленными подвалы домов, подземные коммуникации, а уровень грунтовых вод растет. В результате происходит разрушение фундаментов, просадки грунтов, развивается суффозия(вымыв грунта). Еще один путь вторжения в литосферу - это закачка загрязненных вод в глубокиё скважины и закачка горячей воды и пара в нефтяные скважины с целью увеличения нефтеотдачи пласта. Объемы этих закачек не определены. Мощным средством воздействия на литосферные флюиды служит откачка воды из разных горизонтов подземных вод. К этому еще надо добавить откачку шахтных вод и вод из карьеров и разрезов. При откачках, которые обычно превышают пополнение воды, происходит понижение уровня подземных вод и образование обширных воронок депрессии. Наибольшие понижение уровня подземных вод наблюдаются в районе крупных городов, использующих для водоснабжения подземные воды. Так, уровень подземных вод в Санкт-Петербурге понизился на 50 м, а в Москве - на 60 м. Мощным вторжением во флюидные системы литосферы служит добыча нефти и газа. В Предуралье, в Западной Сибири, в Прикаспии и на Северном Кавказе целые поля скважин непрерывно откачивают нефть и газ. За время разведки нефтегазовых месторождений Западной Сибири пробурены многие десятки тысяч скважин. В результате чего возникли крупные депрессионные воронки, происходит вскрытие и разгерметизация все более глубоко залегающих водоносных, нефтеносных и газоносных горизонтов. Последствия этого процесса еще не проявились в Западной Сибири в полную силу, так как добыча нефти ведется здесь сравнительно недавно. В Татарии, например, где добыча нефти ведется уже долгое время, в районе Ромашкинского нефтяного месторождения с сентября 1986 г. по январь 1989 г. зарегистрировано 198 землетрясений силой до 10 класса. Подавляющая часть очагов землетрясений залегает на глубине 2-3 км в осадочном чехле древней Восточно-европейской платформы. Кроме разведочных и промышленных скважин достаточно глубокие горизонты недр затрагивают шахты по добыче полезных ископаемых: угля, полиметаллических руд, солей. Образующиеся в результате добычи полезных подземные пустоты все время растут по объемам и площадям. Все это приводит к просадкам грунтов, а также к нарушению флюидных систём, так как из действующих шахт и карьеров вода откачивается, а закрытые шахты обычно затопляются. Есть веские основания полагать, что районы добычи нефти, газа и угля служат источниками поступления в атмосферу метана. Техногенные нарушения литосферы Загрязнение почв пестицидами. Ежегодное применение пестицидов в сельском хозяйстве в 1980-1991 гг. находилось на одном уровне и составляло примерно 150 тыс, т, а в 1992 г. уменьшилось до 100 тыс. т. Пестициды загрязняют окружающую среду не только при их применении на полях, но и в процессе производства, хранения, перевозки и уничтожения. Они провоцируют рак, наследственные нарушения иммунной системы, болезни почек и печени, заболевания нервной системы, расстройства зрения и т.д. В развивающихся странах ежегодно 25 млн. человек отравляются и 20 тыс. умирает в результате воздействия пестицидов. На каждого человека, проживающего на территории бывшего СССР, приходится в среднем 28.5 кг. примененных пестицидов. Загрязнение почв пестицидами в отдельных регионах России.
Радиоактивное загрязнение земной поверхности. Главными источниками радиоактивного загрязнения окружающей среды являются испытания ядерного оружия, аварии на атомных электростанциях и на предприятиях, а также радиоактивные отходы. Естественная радиоактивность, включая радоновую, также вносит вклад в уровень радиоактивного загрязнения. Начало атомной эры человечества связывают с испытаниями ядерного оружия в США и в СССР, которые впервые были проведены 50 лет тому назад. Ядерные взрывы, по общепринятой классификации, основанной на ранжировании среды, в которой они происходят, подразделяют на наземные (на поверхности Земли или на небольшой высоте), воздушные высотные, космические, подводные и подземные. Наиболее опасными в настоящее время стали наземные взрывы большой мощности, поскольку радиоактивные продукты выбрасываются в тропосферу в значительных количествах и оседают на поверхности Земли. В результате стратосфера, ОКП, литосфера и земная поверхность подверглись радиоактивному антропогенному загрязнению. Уровень его в ряде районов значительно превышает природный фоновый. В табл. 5 собраны сведения о ядерных взрывах в различных средах, произведенных СССР и США. Таблица 5. Ядерные взрывы, произведенные в СССР и США.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||