Автор: Передельский Л.В., Коробкин В.И., Приходченко О.Е. Название: CD Экология: электронный учебник. Учебник для ВУЗов Год: 2009 Издательство: КноРус ISBN: 539000289X ISBN-13(EAN): 9785390002896 ОГЛАВЛЕНИЕ РАЗДЕЛ I. ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ........................................................................ 6 ВВЕДЕНИЕ. ЭКОЛОГИЯ И КРАТКИЙ ОБЗОР ЕЕ РАЗВИТИЯ ...................................... 6 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ ...................................................................... 6 2. КРАТКИЙ ОБЗОР ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ЭКОЛОГИИ ............................................ 8 3. ЗНАЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ ................................................. 9 ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОРГАНИЗМА И СРЕДЫ ........................................... 12 1.1. ГЛАВНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ И ЭКОЛОГИЯ .............................. 12 1.2. ОРГАНИЗМ КАК ЖИВАЯ ЦЕЛОСТНАЯ СИСТЕМА ............................................ 15 1.3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БИОТЫ ЗЕМЛИ ................................................... 17 1.4. О СРЕДЕ ОБИТАНИЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРАХ .................................... 19 1.5. ОБ АДАПТАЦИЯХ ОРГАНИЗМОВ К СРЕДЕ ОБИТАНИЯ.................................... 22 1.6. ЛИМИТИРУЮЩИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ............................................ 23 ГЛАВА 2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ И РЕСУРСЫ СРЕДЫ................................... 26 2.1. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ В ЖИЗНИ ОРГАНИЗМОВ .................................................................................................. 26 2.2. ЭДАФИЧЕСКИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ В ЖИЗНИ РАСТЕНИЙ И ПОЧВЕННОЙ БИОТЫ ........................................................................................ 36 2.3. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ .... 39 2.4. РЕСУРСЫ ЖИВЫХ СУЩЕСТВ КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ...................... 41 ГЛАВА 3. ПОПУЛЯЦИОННАЯ ЭКОЛОГИЯ ............................................................ 46 3.1. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПОПУЛЯЦИЙ ........................................... 46 3.2. ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ ВИДА ........................................................ 48 3.3. ДИНАМИКА ЧИСЛЕННОСТИ ПОПУЛЯЦИЙ .................................................... 50 3.4. РЕГУЛЯЦИЯ ПЛОТНОСТИ ПОПУЛЯЦИИ ........................................................ 54 3.5. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СТРАТЕГИИ ВЫЖИВАНИЯ ................................................ 56 ГЛАВА 4. ЭКОЛОГИЯ БИОТИЧЕСКИХ СООБЩЕСТВ ............................................. 58 4.1. ВИДОВАЯ СТРУКТУРА СООБЩЕСТВ И СПОСОБЫ ЕЕ ОЦЕНКИ ........................ 58 4.2. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА СООБЩЕСТВ ............................................ 60 4.3. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ НИША И ВЗАИМООТНОШЕНИЯ ОРГАНИЗМОВ В СООБЩЕСТВЕ ................................................................................................. 61 ГЛАВА 5. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ............................................................... 68 5.1. КОНЦЕПЦИЯ, МАСШТАБЫ И ТРОФИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ЭКОСИСТЕМЫ .......... 68 5.2. ПРОДУЦИРОВАНИЕ И РАЗЛОЖЕНИЕ В ПРИРОДЕ .......................................... 70 5.3. ГОМЕОСТАЗ ЭКОСИСТЕМЫ ........................................................................ 71 5.4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТОКИ В ЭКОСИСТЕМЕ ................................................ 72 5.5. УРОВНИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ ЭКОСИСТЕМ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПИРАМИДЫ .......................................................................... 75 5.6. ДИНАМИКА ЭКОСИСТЕМЫ (ЦИКЛИЧНОСТЬ, СУКЦЕССИЯ, КЛИМАКС) ............ 78 5.7. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД И МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЭКОЛОГИИ ............................. 83 РАЗДЕЛ II. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ ................................................................ 87 ГЛАВА 6. БИОСФЕРА КАК ГЛОБАЛЬНАЯ ЭКОСИСТЕМА ЗЕМЛИ ............................. 87 6.1. МЕСТО БИОСФЕРЫ СРЕДИ ОБОЛОЧЕК ЗЕМЛИ ............................................. 87 6.2. СОСТАВ БИОСФЕРЫ КАК ГЛОБАЛЬНОЙ ЭКОСИСТЕМЫ ................................. 91 6.3. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ ............................................................ 97 2 6.4. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ ДЛЯ ЖИЗНИ ОРГАНИЗМОВ БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ ................................................................ 99 ГЛАВА 7. ПРИРОДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ ЗЕМЛИ КАК ХОРОЛОГИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ БИОСФЕРЫ ................................................................................................... 105 7.1. ЛАНДШАФТЫ И ЭКОСИСТЕМЫ ................................................................. 105 7.2. НАЗЕМНЫЕ БИОМЫ (ЭКОСИСТЕМЫ) ......................................................... 110 7.3. ПРЕСНОВОДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ ............................................................... 115 7.4. МОРСКИЕ ЭКОСИСТЕМЫ .......................................................................... 120 7.5. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЦЕЛОСТНОСТЬ БИОСФЕРЫ ......................................... 123 ГЛАВА 8. ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ И ФАКТОРЫ ЕЕ УСТОЙЧИВОСТИ .................... 125 8.1. ОСНОВЫ УЧЕНИЯ В. И. ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ.................................. 125 8.2. ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ И ЕЕ БИОРАЗНООБРАЗИЕ ..................................... 127 8.3. БИОТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ .................................... 129 РАЗДЕЛ III. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ ........................................................... 133 ГЛАВА 9. БИОСОЦИАЛЬНАЯ ПРИРОДА ЧЕЛОВЕКА И ЭКОЛОГИЯ ........................ 133 9.1. ЧЕЛОВЕК КАК БИОЛОГИЧЕСКИЙ ВИД ....................................................... 133 9.2. ЧЕЛОВЕЧЕСТВО КАК ПОПУЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА ..................................... 138 9.3. ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ ЗЕМЛИ КАК ЛИМИТИРУЮЩИЙ ФАКТОР ВЫЖИВАНИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА ............................................................................................. 142 ГЛАВА 10. АНТРОПОГЕННЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ..................................................... 146 10.1. О ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ТИПАХ ЭКОСИСТЕМ ............................................ 146 10.2. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ (АГРОЭКОСИСТЕМЫ) ............... 149 10.3. ИНДУСТРИАЛЬНО-ГОРОДСКИЕ ЭКОСИСТЕМЫ .......................................... 150 ГЛАВА 11. ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА ................................ 153 11.1. ПОНЯТИЯ «ЗДОРОВЬЕ» И «ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА» ................................. 153 11.2. ВЛИЯНИЕ ПРИРОДНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА .................................................................................................... 154 11.3. ВЛИЯНИЕ СОЦИАЛЬНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА .................................................................................................... 155 11.4. ГИГИЕНА И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА .......................................................... 160 11.5. ВАЛЕОЛОГИЯ НАУКА О ЗДОРОВЬЕ ...................................................... 161 РАЗДЕЛ IV. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОСФЕРУ ................... 163 ГЛАВА 12. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ АНТРОПОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА БИОСФЕРУ ... 163 12.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ............................................................................ 163 12.2. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГЛАВНЕЙШИЙ ВИД НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОСФЕРУ .................................................................................................... 164 ГЛАВА 13. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АТМОСФЕРУ ............................ 168 13.1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ................................................ 168 13.2. ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ............................... 170 13.3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ .................. 172 13.4. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ГЛОБАЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ................................................................................................. 175 ГЛАВА 14. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГИДРОСФЕРУ ........................... 181 14.1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГИДРОСФЕРЫ .................................................................. 181 14.2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГИДРОСФЕРЫ ................. 185 14.3. ИСТОЩЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД ................................ 188 3 ГЛАВА 15. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЛИТОСФЕРУ ............................ 191 15.1. ДЕГРАДАЦИЯ ПОЧВ (ЗЕМЕЛЬ) ................................................................ 191 15.2. ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГОРНЫЕ ПОРОДЫ И ИХ МАССИВЫ ............................... 199 15.3. ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕДРА ...................................................................... 203 ГЛАВА 16. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОТИЧЕСКИЕ СООБЩЕСТВА ... 207 16.1. ЗНАЧЕНИЕ ЛЕСА В ПРИРОДЕ И ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА ................................... 207 16.2. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЛЕСА И ДРУГИЕ РАСТИТЕЛЬНЫЕ СООБЩЕСТВА ............................................................................................... 209 16.3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЧЕЛОВЕКА НА РАСТИТЕЛЬНЫЙ МИР ..................................................................................... 210 16.4. ЗНАЧЕНИЕ ЖИВОТНОГО МИРА В БИОСФЕРЕ ............................................ 213 16.5. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЧЕЛОВЕКА НА ЖИВОТНЫХ И ПРИЧИНЫ ИХ ВЫМИРАНИЯ ... 215 ГЛАВА 17. ОСОБЫЕ ВИДЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОСФЕРУ .................................. 218 17.1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ СРЕДЫ ОТХОДАМИ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ ......... 218 17.2. ШУМОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ...................................................................... 220 17.3. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ............................................................ 223 17.4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ИЗЛУЧЕНИЙ ..................... 224 ГЛАВА 18. ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОСФЕРУ .............................. 227 18.1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ОРУЖИЯ МАССОВОГО УНИЧТОЖЕНИЯ .............................. 227 18.2. ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕХНОГЕННЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ КАТАСТРОФ ................... 229 18.3. СТИХИЙНЫЕ БЕДСТВИЯ......................................................................... 232 РАЗДЕЛ V. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА .. 243 ГЛАВА 19. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРИРОДЫ И ОБЩЕСТВА НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ243 19.1. ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИРОДЫ И ОБЩЕСТВА .............. 243 19.2. ВАЖНЕЙШИЕ ПРИРОДООХРАННЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОБЪЕКТЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ................................................................................... 244 19.3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС И ПУТИ ВЫХОДА ИЗ НЕГО............................... 245 ГЛАВА 20. ИНЖЕНЕРНАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ........................................ 248 20.1. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ....................................................................................................... 248 20.2. НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ................................. 250 20.3. ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ............................................................................ 255 20.4. ЗАЩИТА ГИДРОСФЕРЫ .......................................................................... 259 20.5. ЗАЩИТА ЛИТОСФЕРЫ ............................................................................ 266 20.6. ЗАЩИТА БИОТИЧЕСКИХ СООБЩЕСТВ ..................................................... 272 20.7. ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОТ ОСОБЫХ ВИДОВ ВОЗДЕЙСТВИЙ ......... 280 ГЛАВА 21. ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ................................................... 288 21.1. ЭКОЛОГИЧНОЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ .................................................... 288 21.2. НЕТРАДИЦИОННЫЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ................ 297 21.3. РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ............................................... 303 РАЗДЕЛ VI. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. ПРАВОВЫЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ...................................................................... 308 ГЛАВА 22. АДМИНИСТРАТИВНО-ПРАВОВЫЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ......................................................................................................... 308 22.1. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ .......... 308 22.3. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ И ПАСПОРТИЗАЦИЯ312 4 22.4. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА И ОВОС .................................................. 313 22.5. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ РИСК И ЗОНЫ ПОВЫШЕННОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА314 22.6. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ............................................................ 318 22.7. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ................................................................. 322 ГЛАВА 23. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРАВА И ОБЯЗАННОСТИ ГРАЖДАН ....................... 324 23.1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРАВА ГРАЖДАН. ОБЩЕСТВЕННЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ДВИЖЕНИЯ ................................................................................................... 324 23.2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЯЗАННОСТИ ГРАЖДАН ............................................ 325 23.3. ЮРИДИЧЕСКАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ЗА ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРАВОНАРУШЕНИЯ........................................................................................ 326 ГЛАВА 24. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ......... 328 24.1. МЕТОДЫ ЭКОНОМИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ........................................ 328 24.2. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УЧЕТ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ ........................................................................................... 328 24.3. ЛИЦЕНЗИИ, ДОГОВОРА И ЛИМИТЫ НА ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ ............... 329 24.4. НОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ ФИНАНСИРОВАНИЯ ПРИРОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ .............................................................................................. 330 24.5. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СТИМУЛИРОВАНИЕ В ОБЛАСТИ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ......................................................................................................... 332 24.6. ПОНЯТИЕ О КОНЦЕПЦИИ УСТОЙЧИВОГО ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ .................................................................................................... 333 ГЛАВА 25. ЭКОЛОГИЗАЦИЯ ОБЩЕСТВЕННОГО СОЗНАНИЯ ................................ 335 25.1. АНТРОПОЦЕНТРИЗМ И ЭКОЦЕНТРИЗМ. ФОРМИРОВАНИЕ НОВОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОЗНАНИЯ ....................................................................... 335 25.2. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ, ВОСПИТАНИЕ И КУЛЬТУРА ................... 338 ГЛАВА 26. МЕЖДУНАРОДНОЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО ................... 341 26.1. РОЛЬ МЕЖДУНАРОДНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ОТНОШЕНИЙ ......................... 341 26.2. НАЦИОНАЛЬНЫЕ И МЕЖДУНАРОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ......................................................................................................... 341 26.3. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МЕЖДУНАРОДНОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОТРУДНИЧЕСТВА ......................................................................................... 343 26.4. УЧАСТИЕ РОССИИ В МЕЖДУНАРОДНОМ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ СОТРУДНИЧЕСТВЕ ......................................................................................... 345 5 РАЗДЕЛ I. ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ ВВЕДЕНИЕ. ЭКОЛОГИЯ И КРАТКИЙ ОБЗОР ЕЕ РАЗВИТИЯ 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ Наиболее распространенным определением экологии как научной дисциплины является следующее: экология наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимоотношения между организмами и средой их обитания. Термин «экология» (от греч. «ойкос» дом, жилище и «логос» учение) был впервые введен в биологическую науку немецким ученым Э. Геккелем в 1866 г. Изначально экология и развивалась как составная часть биологической науки, в тесной связи с другими естественными науками химией, физикой, геологией, географией, почвоведением, математикой. Предметом экологии является совокупность или структура связей между организмами и средой. Главный объект изучения в экологии экосистемы, т. е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания. Кроме того, в область ее компетенции входит изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), их популяций, т. е. совокупностей особей одного вида (популяционно-видовой уровень), совокупностей популяций, т. е. биотических сообществ биоценозов (биоценотический уровень) и биосферы в целом (биосферный уровень). Основной, традиционной, частью экологии как биологической науки является общая экология, которая изучает общие закономерности взаимоотношений любых живых организмов и среды (включая человека как биологическое существо). В составе общей экологии выделяют следующие основные разделы: аутэкологию, исследующую индивидуальные связи отдельного организма (виды, особи) с окружающей его средой; популяционную экологию (демоэкологию), в задачу которой входит изучение структуры и динамики популяций отдельных видов. Популяционную экологию рассматривают и как специальный раздел аутэкологии; синэкологию (биоценологию), изучающую взаимоотношение популяций, сообществ и экосистем со средой. Для всех этих направлений главным является изучение выживания живых существ в окружающей среде, и задачи перед ними стоят преимущественно биологического свойства изучить закономерности адаптации организмов и их сообществ к окружающей среде, саморегуляцию, устойчивость экосистем и биосферы и т. д. В изложенном выше понимании общую экологию нередко называют биоэкологией, когда хотят подчеркнуть ее биоцентричность. С точки зрения фактора времени экология дифференцируется на историческую и эволюционную. Кроме того, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования, т. е. различают экологию животных, экологию растений и экологию микроорганизмов. В последнее время роль и значение биосферы как объекта экологического анализа непрерывно возрастает. Особенно большое значение в современной экологии уделяется проблемам взаимодействия человека с окружающей природной средой. Выдвижение на первый план этих разделов в экологической науке связано с резким усилением взаимного отрицательного влияния человека и среды, возросшей ролью экономических, социальных и нравственных аспектов, в связи с резко негативными последствиями научно-технического прогресса. Таким образом, современная экология не ограничивается только рамками биологической дисциплины, трактующей отношения главным образом животных и растений со средой, она превращается в междисциплинарную науку, изучающую сложнейшие проблемы взаимодействия 6 человека с окружающей средой. Актуальность и многогранность этой проблемы, вызванной обострением экологической обстановки в масштабах всей планеты, привела к «экологизации» многих естественных, технических и гуманитарных наук. Так, например, на стыке экологии с другими отраслями знаний продолжается развитие таких новых направлений, как инженерная экология, геоэкология, математическая экология, сельскохозяйственная экология, космическая экология и т. д. Соответственно более широкое толкование получил и сам термин «экология», а экологический подход при изучении взаимодействия человеческого общества и природы был признан основополагающим. Экологическими проблемами Земли как планеты занимается интенсивно развивающаяся глобальная экология, основным объектом изучения которой является биосфера, как глобальная экосистема. В настоящее время появились и такие специальные дисциплины, как социальная экология, изучающая взаимоотношение в системе «человеческое общество природа», и ее часть экология человека (антропоэкология), в которой рассматривается взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающим миром. Современная экология тесно связана с политикой, экономикой, правом (включая международное право), психологией и педагогикой, так как только в союзе с ними возможно преодолеть технократическую парадигму мышления и выработать новый тип экологического сознания, коренным образом меняющий поведение людей по отношению к природе. С научно-практической точки зрения вполне обосновано деление экологии на теоретическую и прикладную. Теоретическая экология вскрывает общие закономерности организации жизни. Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов. Научную основу прикладной экологии составляет система общеэкологических законов, правил и принципов. Исходя из приведенных выше понятий и направлений следует, что задачи экологии весьма многообразны. В общетеоретическом плане к ним относятся: разработка общей теории устойчивости экологических систем; изучение экологических механизмов адаптации к среде; исследование регуляция численности популяций; изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания; исследование продукционных процессов; исследование процессов, протекающих в биосфере с целью поддержания ее устойчивости; моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов. Основные прикладные задачи, которые экология должна решать в настоящее время следующие: прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в окружающей природной среде под влиянием деятельности человека; улучшение качества окружающей среды; оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных или иных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития, в первую очередь в экологически наиболее угрожаемых районах. Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействия природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы. В настоящее время экология становится одной из важнейших естественных наук, и, как полагают многие экологи, само существование человека на нашей планете будет зависеть от ее прогресса. 7 2. КРАТКИЙ ОБЗОР ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ЭКОЛОГИИ В истории развития экологии можно выделить три основных этапа. Первый этап зарождение и становление экологии как науки (до 60-х гг. ХIХ в.). На этом этапе накапливались данные о взаимосвязи живых организмов со средой их обитания, делались первые научные обобщения. В ХVIIХVIII вв. экологические сведения составляли значительную долю во многих биологических описаниях (А. Реомюр, 1734; А. Трамбле, 1744 и др.). Элементы экологического подхода содержались в исследованиях русских ученых И. И. Лепехина, А. Ф. Миддендорфа, С. П. Крашенникова, французского ученого Ж. Бюффона, шведского естествоиспытателя К. Линнея, немецкого ученого Г. Йегера и др. В этот же период Ж. Ламарк (17441829) и Т. Мальтус (17661834) впервые предупреждают человечество о возможных негативных последствиях воздействия человека на природу. Второй этап оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (после 60-х гг. ХIХ в.). Начало этапа ознаменовалось выходом работ русских ученых К. Ф. Рулье (18141858), Н. А. Северцова (18271885), В. В. Докучаева (18461903), впервые обосновавших ряд принципов и понятий экологии, которые не утратили своего значения и до настоящего времени. Не случайно поэтому американский эколог Ю. Одум (1975) считает В. В. Докучаева одним из основателей экологии. В конце 70-х гг. ХIХ в. немецкий гидробиолог К. Мебиус (1877) вводит важнейшее понятие о биоценозе как о закономерном сочетании организмов в определенных условиях среды. Неоценимый вклад в развитие основ экологии внес Ч. Дарвин (18091882), вскрывший основные факторы эволюции органического мира. То, что Ч. Дарвин называл «борьбой за существование», с эволюционных позиций можно трактовать как взаимоотношение живых существ с внешней, абиотической средой и между собой, т. е. с биотической средой. Немецкий биолог-эволюционист Э. Геккель (18341919) первый понял, что это самостоятельная и очень важная область биологии, и назвал ее экологией (1866). В своем капитальном труде «Всеобщая морфология организмов» он писал: «Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и прежде всего его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт. Одним словом, экология это изучение всех сложных взаимоотношений, которые Дарвин назвал «условиями, порождающими борьбу за существование». Как самостоятельная наука экология окончательно оформилась в начале ХХ в. В этот период американский ученый Ч. Адамс (1913) создает первую сводку по экологии, публикуются другие важные обобщения и сводки (В. Шелфорд, 1913, 1929; Ч. Элтон, 1927; Р. Гессе, 1924; К. Раункер, 1929 и др.). Крупнейший русский ученый ХХ в. В. И. Вернадский создает фундаментальное учение о биосфере. В 30-е и 40-е гг. экология поднялась на более высокую ступень в результате нового подхода к изучению природных систем. Сначала А. Тенсли (1935) выдвинул понятие об экосистеме, а несколько позже В. Н. Сукачев (1940) обосновал близкое этому представление о биогеоценозе. Следует отметить, что уровень отечественной экологии в 2040-х гг. был одним из самых передовых в мире, особенно в области фундаментальных разработок. В этот период работали такие выдающиеся ученые, как академик В. И. Вернадский и В. Н. Сукачев, а также крупные экологи В. В. Станчинский, Э. С. Бауэр, Г. Г. Гаузе, В. Н. Беклемишев, А. Н. Формозов, Д. Н. Кашкаров и др. Во второй половине ХХ в. в связи с загрязнением окружающей среды и резким усилением воздействия человека на природу экология приобретает особое значение. Начинается третий этап (50-е гг. ХХ в. до настоящего времени) превращение экологии в комплексную науку, включающую в себя науки об охране природной и окружающей человека среды. Из строгой биологической науки экология превращается в «значительный цикл знания, вобрав в себя разделы географии, геологии, химии, физики, социологии, теории культуры, экономики…» (Реймерс, 8 1994). Современный период равития экологии связан с именами таких крупных зарубежных ученых, как Ю. Одум, Дж. М. Андерсен, Э. Пианка, Р. Риклефс, М. Бигон, А. Швейцер, Дж. Харпер, Р. Уитеккер, Н. Борлауг, Т. Миллер, Б. Небел и др. Среди отечественных ученых следует навать И. П. Герасимова, А. М. Гилярова, В. Г. Горшкова, Ю. А. Израэля, К. С. Лосева, Н. Н. Моисеева, Н. П. Наумова, Н. Ф. Реймерса, В. В. Розанова, Ю. М. Свирижева, Н. В. Тимофеева-Ресовского, С. С. Шварца, И. А. Шилова, А. В. Яблокова, А. Л. Яншина и др. Первые природоохранные акты на Руси известны с IХХII вв. (например, свод законов Ярослава Мудрого «Русская правда», в которых были установлены правила охраны охотничьих и бортничьих угодий). В ХIVXVII вв. на южных границах Русского государства существовали «засечные леса», своеобразные охраняемые территории, на которых были запрещены хозяйственные рубки. История сохранила более 60 природоохранных указов Петра I. При нем же началось изучение богатейших природных ресурсов России. В 1805 г. в Москве было основано общество испытателей природы. В конце ХIХ начале ХХ в. возникло движение за охрану редких объектов природы. Трудами выдающихся ученых В. В. Докучаева, К. М. Бэра, Г. А. Кожевникова, И. П. Бородина, Д. Н. Анучина, С. В. Завадского и других были заложены научные основы охраны природы. Начало природоохранной деятельности Советского государства совпало с рядом первых декретов, начиная с «Декрета о земле» от 26 октября 1917 г., который заложил основы природопользования в стране. Именно в этот период зарождается и получает законодательное выражение основной вид природоохранной деятельности охрана природы. В период 3040-х гг., в связи с эксплуатацией природных богатств, вызванных, главным образом, ростом масштабов индустриализации в стране, охрана природы стала рассматриваться как «единая система мероприятий, направленная на защиту, развитие, качественное обогащение и рациональное использование природных фондов страны» (из резолюции Первого Всероссийского съезда по охране природы, 1929 г.). Таким образом, в России возникает новый вид природоохранной деятельности рациональное использование природных ресурсов. В 50-е гг. дальнейшее развитие производительных сил в стране, усиление негативного влияния человека на природу обусловило необходимость создания еще одной формы, регулирующей взаимодействие общества и природы, охраны среды обитания человека. В этот период принимаются республиканские законы об охране природы, которые провозглашают комплексный подход к природе не только как к источнику природных ресурсов, но и как к среде обитания человека. К сожалению, еще торжествовала лысенковская псевдонаука, канонизировались слова И. В. Мичурина о необходимости не ждать милости у природы. В 6080-е гг. практически ежегодно принимались правительственные постановления об усилении охраны природы (об охране бассейна Волги и Урала, Азовского и Черного морей, Ладожского озера, Байкала, промышленных городов Кузбасса и Донбасса, Арктического побережья). Продолжался процесс создания природоохранного законодательства, издавались земельные, водные, лесные и иные кодексы. Эти постановления и принятые законы, как показала практика их применения, не дали необходимых результатов губительное антропогенное воздействие на природу продолжалось. 3. ЗНАЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ Экологическое образование не только дает научные знания из области экологии, но и является важным звеном экологического воспитания будущих специалистов. Это предполагает привитие им высокой экологической культуры, способности бережного отношения к природным богатствам и др. Иными словами, у специалистов, в нашем случае инженерно-технического профиля, должно сформироваться новое экологическое сознание и мышление, суть которого в том, что человек 9 часть природы и сохранение природы это сохранение полноценной жизни человека. Экологические знания необходимы каждому человеку, чтобы сбылась мечта многих поколений мыслителей о создании достойной человека среды, для чего надо построить прекрасные города, развить настолько совершенные производительные силы, чтобы они смогли бы обеспечить гармонию человека и природы. Но эта гармония невозможна, если люди враждебно настроены друг к другу и, тем более, если идут войны, что, к сожалению, имеет место. Как справедливо отметил американский эколог Б. Коммонер в начале 70-х гг.: «Поиски истоков любой проблемы, связанной с окружающей средой, приводят к неоспоримой истине, что коренная причина кризиса заключена не в том, как люди взаимодействуют с природой, а в том, как они взаимодействуют друг с другом… и что, наконец, миру между людьми и природой должен предшествовать мир между людьми». В настоящее время стихийное развитие взаимоотношений с природой представляет опасность для существования не только отдельных объектов, территорий стран и т. п., но и для всего человечества. Это объясняется тем, что человек тесно связан с живой природой происхождением, материальными и духовными потребностями, но, в отличие от других организмов, эти связи приняли такие масштабы и формы, что это может привести (и уже приводит!) к практически полному вовлечению живого покрова планеты (биосферы) в жизнеобеспечение современного общества, поставив человечество на грань экологической катастрофы. Человек, благодаря данному ему природой разуму, стремится обеспечить себе «комфортные» условия cреды, стремится быть независимым от ее физических факторов, например, от климата, от нехватки пищи, избавиться от вредных для него животных и растений (но совсем «не вредных» для остального живого мира!) и т. п. Поэтому, человек прежде всего отличается от других видов тем, что взаимодействует с природой через создаваемую им культуру, т. е. человечество в целом, развиваясь, создает на Земле культурную среду благодаря передаче из поколения в поколение своего трудового и духовного опыта. Но, как отмечал К. Маркс, «культура, если она развивается стихийно, а не направляется сознательно… оставляет после себя пустыню». Остановить стихийное развитие событий могут лишь знания о том, как ими управлять и, в случае с экологией эти знания должны «овладеть массами», по крайней мере, большей частью общества, что возможно лишь через всеобщее экологическое образование людей начиная со школьной скамьи и заканчивая вузом. Экологические знания позволяют осознать всю пагубность войны и распрей между людьми, ведь за этим кроется не просто гибель отдельных людей и даже цивилизаций, потому что это приведет к всеобщей экологической катастрофе, к гибели всего человечества. Значит, важнейшее из экологических условий выживания человека и всего живого это мирная жизнь на Земле. Именно к этому должен и будет стремиться экологически образованный человек. Но было бы несправедливо строить всю экологию «вокруг» только человека. Уничтожение природной среды влечет за собой пагубные последствия для жизни человека. Экологические знания позволяют ему понять, что человек и природа единое целое и представления о господстве его над природой довольно призрачны и примитивны. Экологически образованный человек не допустит стихийного отношения к окружающей его среде жизни. Он будет бороться против экологического варварства, а если в нашей стране таких людей станет большинство, то они обеспечат нормальную жизнь своим потомкам, решительно став на защиту дикой природы от алчного наступления «дикой» цивилизации, преобразуя и совершенствуя саму цивилизацию, находя наилучшие «экологически чистые» варианты взаимоотношения природы и общества. В России, странах СНГ уделяется большое внимание экологическому образованию. Межпарламентской Ассамблеей государств-участников СНГ принят Рекомендательный законодательный акт об экологическом образовании населения (1996) и другие документы, в том числе и Концепция экологического образования. Экологическое образование, как указывается в преамбуле Концепции, предназначено развить и закрепить более совершенные стереотипы поведения людей, направленного на: 10 1) экономию природных ресурсов; 2) предотвращение неоправданного загрязнения окружающей среды; 3) повсеместное сохранение естественных экосистем; 4) уважение к принимаемым международным сообществом нормам поведения и сосуществования; 5) формирование сознательной готовности к активному личному участию в осуществляемых природоохранных мероприятиях и посильной их финансовой поддержке; 6) содействие проведению совместных природоохранных действий и осуществлению единой экологической политики в СНГ. В настоящее время нарушение экологических законов можно остановить, только подняв на должную высоту экологическую культуру каждого члена общества, а это возможно сделать, прежде всего, через образование, через изучение основ экологии, что особенно важно для специалистов в области наук технического направления, в первую очередь для инженеров-строителей, инженеров в области химии, нефтехимии, металлургии, машиностроения, пищевой и добывающей промышленности и т. д. Настоящий учебник и предназначен для широкого круга студентов, обучающихся по техническим направлениям и специальностям вузов. По замыслу авторов он должен дать основные представления по главным направлениям теоретической и прикладной экологии и заложить основы экологической культуры будущего специалиста, основанной на глубоком понимании высшей ценности гармоничного развития человека и природы. Контрольные вопросы 1. Что такое экология и каков предмет ее изучения? 2. Чем различаются задачи теоретической и прикладной экологии? 3. Этапы исторического развития экологии как науки. Роль отечественных ученых в ее становлении и развитии. 4. Что такое природоохранная деятельность и каковы ее основные виды? 5. Почему необходимы каждому члену общества, в том числе и инженерно-техническим работникам, экологическая культура и экологическое образование? 11 ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОРГАНИЗМА И СРЕДЫ 1.1. ГЛАВНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ И ЭКОЛОГИЯ Ген, клетка, орган, организм, популяция, сообщество (биоценоз) главные уровни организации жизни. Экология изучает уровни биологической организации от организма до экосистем. В ее основе, как и всей биологии, лежит теория эволюционного развития органического мира Ч. Дарвина, базирующаяся на представлениях о естественном отборе. В упрощенном виде его можно представить так: в результате борьбы за существование выживают наиболее приспособленные организмы, которые передают выгодные признаки, обеспечивающие выживание, своему потомству, которое может их развить дальше, обеспечив стабильное существование данному типу организмов в данных конкретных условиях среды. Если условия эти изменятся, то выживают организмы с более благоприятными для новых условий признаками, переданными им по наследству и т. д. Материалистические представления о происхождении жизни и эволюционную теорию Ч. Дарвина можно объяснить лишь с позиций экологической науки. Поэтому не случайно, что вслед за открытием Дарвина (1859) появился термин «экология» Э. Геккеля (1866). Роль среды, т. е. физических факторов, в эволюции и существовании организмов не вызывает сомнений. Эта среда была названа абиотической, а составляющие ее отдельные части (воздух, вода и др.) и факторы (температура и др.) называют абиотическими компонентами, в отличие от биотических компонентов, представленными живым веществом. Взаимодействуя с абиотической средой, т. е. с абиотическими компонентами, они образуют определенные функциональные системы, где живые компоненты и среда «единый цельный организм». На рис. 1.1 указанные выше компоненты представлены в виде уровней биологической организации биологических систем, которые различаются по принципам организации и масштабам явлений. Они отражают иерархию природных систем, при которой меньшие подсистемы составляют большие системы, сами являющиеся подсистемами более крупных систем. Рис. 1.1. Спектр уровней биологической организации (по Ю. Одуму, 1975) Свойства каждого отдельного уровня значительно сложнее и многообразнее предыдущего. Но объяснить это можно лишь частично на основе данных о свойствах предшествующего уровня. Иными словами, нельзя предсказать свойства каждого последующего биологического уровня исходя из свойств отдельных составляющих его более низких уровней, подобно тому, как нельзя предсказать свойства воды исходя из свойств кислорода и водорода. Такое явление называют эмерджентностью наличием у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам и блокам, а также сумме других элементов, не объединенных системообразующими связями. Экология изучает правую часть «спектра», изображенного на рис. 1.1, т. е. уровни биологической организации от организмов до экосистем. В экологии организм рассматривается как целостная система, взаимодействующая с внешней средой, как абиотической, так и биотической. В этом случае в наше поле зрения попадает такая совокупность, как биологический вид, состоящий из сходных особей, которые, тем не менее, как индивидуумы отличаются друг от друга. Они точно так же непохожи, как непохож один человек на другого, тоже относящиеся к одному виду. Но всех их 12 объединяет единый для всех генофонд, обеспечивающий их способность к размножению в пределах вида. Не может быть потомства от особей различных видов, даже близкородственных, объединенных в один род, не говоря уже о семействе и более крупных таксонах, объединяющих еще более «далеких родственников». Поскольку каждый отдельный индивид (особь) имеет свои специфические особенности, то и отношение их к состоянию среды, к воздействию ее факторов различное. Например, повышение температуры часть особей может не выдержать и погибнуть, но популяция всего вида выживает за счет других особей, более приспособленных к повышенным температурам. Популяция, в самом общем виде, это совокупность особей одного вида. Генетики обычно добавляют как обязательный момент способность этой совокупности к самовоспроизведению. Экологи же, учитывая обе эти особенности, подчеркивают некую изолированность в пространстве и во времени аналогичных совокупностей одного и того же вида (Гиляров, 1990). Изолированность в пространстве и во времени аналогичных популяций отражает реальную природную структуру биоты. В реальной природной среде многие виды рассеяны на огромных пространствах, поэтому изучать приходится некую видовую группировку в пределах определенной территории. Некоторые из группировок достаточно хорошо приспосабливаются к местным условиям, образуя так называемый экотип. Эта даже небольшая группа особей, связанных между собой генетически, может дать начало большой популяции, причем весьма устойчивой достаточно длительное время. Этому способствуют адаптивность особей к абиотической среде, внутривидовая конкуренция и др. Однако настоящих одновидовых группировок и поселений в природе не существует, и мы обычно имеем дело с группировками, состоящими из многих видов. Такие группировки называются биологическими сообществами, или биоценозами. Биоценоз совокупность совместно обитающих популяций разных видов микроорганизмов, растений и животных. Термин «биоценоз» впервые применил Мебиус (1877), изучая группу организмов устричной банки, т. е. с самого начала это сообщество организмов было ограничено неким «географическим» пространством, в данном случае границами отмели. В дальнейшем это пространство было названо биотопом, под которым понимаются условия окружающей среды на определенной территории: воздух, вода, почвы и подстилающие их горные породы. Именно в этой окружающей среде существуют растительность, животный мир и микроорганизмы, составляющие биоценоз. Понятно, что компоненты биотопа не просто существуют рядом, а активно взаимодействуют между собой, создавая определенную биологическую систему, которую академик В. Н. Сукачев назвал биогеоценозом. В этой системе совокупность абиотических и биотических компонентов имеет «… свою, особую специфику взаимодействий» и «определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и другими явлениями природы и представляющие собой внутреннее противоречивое диалектическое единство, находящееся в постоянном движении, развитии» (Сукачев, 1971). Схема биогеоценоза показана на рис. 1.2. Эта известная схема В. Н. Сукачева скорректирована Г. А. Новиковым (1979). 13 Рис. 1.2. Схема биогеоценоза по Г. А. Новикову (1979) Термин «биогеоценоз» был предложен В. Н. Сукачевым в конце 30-х гг. Представления Сукачева в дальнейшем легли в основу биогеоценологии целого научного направления в биологии, занимающегося проблемами взаимодействия живых организмов между собой и с окружающей их абиотической средой. Однако несколько ранее, в 1935 г., английским ботаником А. Тенсли был введен термин «экосистема». Экосистема, по А. Тенсли, «совокупность комплексов организмов с комплексом физических факторов его окружения, т. е. факторов местообитания в широком смысле». Подобные определения есть и у других известных экологов Ю. Одума, К. Вилли, Р. Уитеккера, К. Уатта. Ряд сторонников экосистемного подхода на Западе считают термины «биогеоценоз» и «экосистема» синонимами, в частности Ю. Одум (1975, 1986). Однако ряд российских ученых не разделяют этого мнения, видя определенные различия. Тем не менее многие не считают эти отличия существенными и ставят знак равенства между этими понятиями. Это тем более необходимо, что термин «экосистема» широко применяется в смежных науках, особенно природоохранного содержания. Особое значение для выделения экосистем имеют трофические, т. е. пищевые взаимоотношения организмов, регулирующие всю энергетику биотических сообществ и всей экосистемы в целом. Прежде всего, все организмы делятся на две большие группы автотрофов и гетеротрофов. Автотрофные организмы используют неорганические источники для своего существования, тем самым создавая органическую материю из неорганической. К таким организмам относятся фотосинтезирующие зеленые растения суши и водной среды, синезеленые водоросли, некоторые бактерии за счет хемосинтеза и др. Гетеротрофные организмы потребляют только готовые органические вещества. К ним относятся все животные и человек, грибы и др. Гетеротрофы, потребляющие мертвую органику, называются сапротрофами (например, грибы), а способные жить и развиваться в живых организмах за счет живых тканей паразитами (например, клещи). Поскольку организмы достаточно разнообразны по видам и формам питания, то они вступают между собой в сложные трофические взаимодействия, тем самым выполняя важнейшие экологические функции в биотических сообществах. Одни из них производят продукцию, другие потребляют, третьи преобразуют ее в неорганическую форму. Их называют соответственно: продуценты, консументы и редуценты. Продуценты производители продукции, которой потом питаются все остальные организмы это наземные зеленые растения, микроскопические морские и пресноводные водоросли, 14 производящие органические вещества из неорганических соединений. Консументы это потребители органических веществ. Среди них есть животные, употребляющие только растительную пищу травоядные (корова) или питающиеся только мясом других животных плотоядные (хищники), а также употребляющие и то и другое «всеядные» (человек, медведь). Редуценты (деструкторы) восстановители. Они возвращают вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соединений и элементов (например, на CO2, NO2 и H2O). Возвращая в почву или в водную среду биогенные элементы, они, тем самым, завершают биохимический круговорот. Это делают в основном бактерии, большинство других микроорганизмов и грибы. Функционально редуценты это те же консументы, поэтому их часто называют микроконсументами. А. Г. Банников (1977) полагает, что и насекомые также играют важную роль в процессах разложения мертвой органики и в почвообразовательных процессах. Микроорганизмы, бактерии и другие более сложные формы в зависимости от среды обитания подразделяют на аэробные, т. е. живущие при наличии кислорода, и анаэробные живущие в бескислородной среде. 1.2. ОРГАНИЗМ КАК ЖИВАЯ ЦЕЛОСТНАЯ СИСТЕМА Организм любое живое существо. Он отличается от неживой природы определенной совокупностью свойств, присущих только живой материи: клеточная организация; обмен веществ по ведущей роли белков и нуклеиновых кислот, обеспечивающий гомеостаз организма самовозобновление и поддержание постоянства его внутренней среды. Живым организмам присущи движение, раздражимость, рост, развитие, размножение и наследственность, а также приспособляемость к условиям существования адаптация. Взаимодействуя с абиотической средой, организм выступает как целостная система, включающая в себя все более низкие уровни биологической организации (левая часть «спектра», см. рис. 1.1). Все эти части организма (гены, клетки, клеточные ткани, целые органы и их системы) являются компонентами доорганизменного уровня. Изменение одних частей и функций организма неизбежно влечет за собой изменение других его частей и функций. Так, в изменяющихся условиях существования, в результате естественного отбора те или иные органы получают приоритетное развитие. Например, мощная корневая система у растений засушливой зоны (ковыль) или «слепота» в результате редукции глаз у животных, существующих в темноте (крот). Живые организмы обладают обменом веществ, или метаболизмом, при этом происходит множество химических реакций. Примером таких реакций могут служить дыхание, которое еще Лавуазе и Лаплас считали разновидностью горения, или фотосинтез, посредством которого зелеными растениями связывается солнечная энергия, а в результате дальнейших процессов метаболизма используется всем растением, и др. Как известно, в процессе фотосинтеза, кроме солнечной энергии, используются диоксид углерода и вода. Суммарно химическое уравнение фотосинтеза выглядит так: где C6H12O6 богатая энергией молекула глюкозы. Практически весь диоксид углерода (CO2) поступает из атмосферы и днем его движение направлено вниз, к растениям, где осуществляется фотосинтез и выделяется кислород. Дыхание процесс обратный, движение CO2 ночью направлено вверх и идет поглощение кислорода. Некоторые организмы, бактерии, способны создавать органические соединения и за счет других компонентов, например, за счет соединений серы. Такие процессы называются хемосинтезом. Обмен веществ в организме происходит только при участии особых макромолекулярных 15 белковых веществ ферментов, выполняющих роль катализаторов. Каждая биохимическая реакция в процессе жизни организма контролируется особым ферментом, который в свою очередь контролируется единичным геном. Изменение гена, называемое мутацией, приводит к изменению биохимической реакции вследствие изменения фермента, а в случае нехватки последнего, то и к выпадению соответствующей ступени метаболической реакции. Однако не только ферменты регулируют процессы метаболизма. Им помогают коферменты крупные молекулы, частью которых являются витамины. Витамины особые вещества, которые необходимы для обмена веществ всех организмов бактерий, зеленых растений, животных и человека. Отсутствие витаминов ведет к болезням, так как не формируются необходимые коферменты и нарушается обмен веществ. Наконец, для ряда метаболических процессов необходимы особые химические вещества, называемые гормонами, которые вырабатываются в различных местах (органах) организма и доставляются в другие места кровью или посредством диффузии. Гормоны осуществляют в любом организме общую химическую координацию метаболизма и помогают в этом деле, например, нервной системе животных и человека. На молекулярно-генетическом уровне особенно чувствительно воздействие загрязняющих веществ, ионизирующей и ультрафиолетовой радиации. Они вызывают нарушение генетических систем, структуры клеток и подавляют действие ферментных систем. Все это приводит к болезням человека, животных и растений, угнетению и даже уничтожению видов организмов. Метаболические процессы протекают с различной интенсивностью на протяжении всей жизни организма, всего пути его индивидуального развития. Этот его путь от зарождения и до конца жизни называется онтогенезом. Онтогенез представляет собой совокупность последовательных морфологических, физиологических и биохимических преобразований, претерпеваемых организмом за весь период жизни. Онтогенез включает рост организма, т. е. увеличение массы и размеров тела, и дифференциацию, т. е. возникновение различий между однородными клетками и тканями, приводящее их к специализации по выполнению различных функций в организме. У организмов с половым размножением онтогенез начинается с оплодотворенной клетки (зиготы). При бесполом размножении с образованием нового организма путем деления материнского тела или специализированной клетки, путем почкования, а также от корневища, клубня, луковицы и т. п. Каждый организм в онтогенезе проходит ряд стадий развития. Для организмов размножающихся половым путем различают зародышевую (эмбриональную), послезародышевую (постэмбриональную) и период развития взрослого организма. Зародышевый период заканчивается выходом зародыша из яйцовых оболочек, а у живородящих рождением. Важное экологическое значение для животных имеет первоначальный этап послезародышевого развития, протекающий по типу прямого развития или по типу метаморфоза, проходя личиночную стадию. В первом случае идет постепенное развитие во взрослую форму (цыпленок курица и т. д.), во втором развитие происходит вначале в виде личинки, которая существует и питается самостоятельно, прежде чем превратиться во взрослую особь (головастик лягушка). У ряда насекомых личиночная стадия позволяет пережить неблагоприятное время года (низкие температуры, засуху и т. д.) В онтогенезе растений различают рост, развитие (формируется взрослый организм) и старение (ослабление биосинтеза всех физиологических функций и смерть). Основной особенностью онтогенеза высших растений и большинства водорослей является чередование бесполого (спорофит) и полового (гематофит) поколений. Процессы и явления, проходящие на онтогенетическом уровне, т. е. на уровне индивида (особи), это необходимое и весьма существенное звено функционирования всего живого. Процессы онтогенеза могут быть нарушены на любой стадии действием химического, светового и теплового загрязнения среды и могут привести к появлению уродов или даже к гибели индивидов на послеродовой стадии онтогенеза. Современный онтогенез организмов сложился в течение длительной эволюции, в результате их 16 исторического развития филогенеза. Не случайно этот термин ввел Э. Геккель в 1866 г., так как для целей экологии необходима реконструкция эволюционных преобразований животных, растений и микроорганизмов. Этим занимается наука филогенетика, которая базируется на данных трех наук морфологии, эмбриологии и палеонтологии. Взаимосвязь между развитием живого в историко-эволюционном плане и индивидуальным развитием организма сформулирована Э. Геккелем в виде биогенетического закона: онтогенез всякого организма есть краткое и сжатое повторение филогенеза данного вида. Иными словами, вначале в утробе матери (у млекопитающих и др.), а затем, появившись на свет, индивид в своем развитии повторяет в сокращенном виде историческое развитие своего вида. 1.3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БИОТЫ ЗЕМЛИ В настоящее время на Земле насчитывается более 2,2 млн видов организмов. Систематика их все более усложняется, хотя основной ее скелет остается почти неизменным со времени ее создания выдающимся шведским ученым Карлом Линнеем в середине ХVII в. Известно, что издавна органический мир делился на два царства животных и растений. Однако в наше время его уже следует делить на две империи доклеточные (вирусы и фаги) и клеточные (все остальные организмы). Империя доклеточных состоит из одного царства вирусов (фаги тоже вирусы-паразиты). Империя клеточных состоит уже из двух надцарств и четырех царств и еще семи подцарств (табл. 1.1). Таблица 1.1 Высшие таксоны ситематики империи клеточных организмов Оказалось, что на Земле существуют две большие группы организмов, различия между которыми намного более глубоки, чем между высшими растениями и высшими животными, и, следовательно, по праву среди клеточных были выделены два надцарства: прокариотов низко организованных доядерных и эукариотов высокоорганизованных ядерных. Прокариоты (Procaryota) представлены царством так называемых дробянок, к которым относятся бактерии и синезеленые водоросли, в клетках которых нет ядра и ДНК в них не отделяется от цитоплазмы никакой мембраной. Эукариоты (Eucaryota) представлены тремя царствами: животных, грибов и растений, клетки которых содержат ядро и ДНК отделена от цитоплазмы ядерной мембраной, поскольку находится в самом ядре. Грибы выделены в отдельное царство, так как оказалось, что они не только не относятся к растениям, но имеют, вероятно, происхождение от амебоидных 17 двужгутиковых простейших, т. е. имеют более тесную связь с животным миром. Однако такое деление живых организмов на четыре царства еще не легло в основу справочной и учебной литературы, поэтому при дальнейшем изложении материала мы придерживаемся традиционных классификаций, по которым бактерии, синезеленые водоросли и грибы являются отделами низших растений. Всю совокупность растительных организмов данной территории планеты любой детальности (региона, района и т. д.) называют флорой, а совокупность животных организмов фауной. Флора и фауна данной территории в совокупности составляют биоту. Но эти термины имеют и гораздо более широкое применение. Например, говорят флора цветковых растений, флора микроорганизмов (микрофлора), микрофлора почв и т. п. Аналогично используется термин «фауна»: фауна млекопитающих, фауна птиц (орнитофауна), микрофауна и т. п. Термин «биота» используют, когда хотят оценить взаимодействие всех живых организмов и среды или, скажем, влияние «почвенной биоты» на процессы почвообразования и др. Ниже приводится общая характеристика фауны и флоры в соответствии с классификацией (см. табл. 1.1). Прокариоты являются древнейшими организмами в истории Земли, следы их жизнедеятельности выявлены в отложениях докембрия, т. е. около миллиарда лет назад. В настоящее время их известно около 5000 видов. Самыми распространенными среди дробянок являются бактерии, и в настоящее время это самые распространенные в биосфере микроорганизмы. Их размеры составляют от десятых долей до двух-трех микрометров. Некоторые из бактерий являются автотрофами, например, серобактерии, которые образуют органическое вещество за счет хемосинтеза на основе серы. Большинство же бактерий гетеротрофы, среди которых преобладают сапротрофы, редуценты. Но есть паразитирующие формы на других организмах, вызывающие болезни у животных, растений, человека. Бактерии распространены повсеместно, но больше всего их в почвах сотни миллионов на один грамм почвы, а в черноземах более двух миллиардов. Микрофлора почв весьма разнообразна. Здесь бактерии выполняют различные функции и подразделяются на следующие физиологические группы: бактерии гниения, нитрофицирующие, азотофиксирующие, серобактерии и др. Среди них есть аэробные и анаэробные формы. В результате эрозии почв бактерии попадают в водоемы. В прибрежной части их до 300 тыс. в 1 мл, с удалением от берега и с глубиной их количество снижается до 100200 особей на 1 мл. В атмосферном воздухе бактерий значительно меньше. Широко распространены бактерии в литосфере ниже почвенного горизонта. Под почвенным слоем их всего на порядок меньше, чем в почве. Бактерии распространяются на сотни метров в глубину земной коры и даже встречаются на глубине двух и более тысяч метров. Сине-зеленые водоросли сходны по строению с бактериальными клетками, являются фотосинтезирующими автотрофами. Обитают преимущественно в поверхностном слое пресноводных водоемов, хотя есть и в морях. Продуктом их метаболизма являются азотистые соединения, способствующие развитию других планктонных водорослей, что при определенных условиях может привести к «цветению» воды и к ее загрязнению, в том числе и в водопроводных системах. Эукариоты это все остальные организмы Земли. Самые распространенные среди них растения, которых около 300 тыс. видов. Растения это практически единственные организмы, которые создают органическое вещество за счет физических (неживых) ресурсов солнечной инсоляции и химических элементов, извлекаемых из почв (комплекс биогенных элементов). Все остальные питаются уже готовой органической пищей. Поэтому растения как бы создают, продуцируют пищу для всего остального животного мира, т. е. являются продуцентами. Все одноклеточные и многоклеточные формы растений имеют, как правило, автотрофное питание за счет процессов фотосинтеза. Водоросли это большая группа растений, живущих в воде, где они могут либо свободно 18 плавать, либо прикрепляться к субстрату. Водоросли это первые на Земле фотосинтезирующие организмы, которым мы обязаны появлению кислорода в ее атмосфере. Кроме того, они способны усваивать азот, серу, фосфор, калий и другие компоненты непосредственно из воды, а не из почвы. Остальные, более высокоорганизованные растения обитатели суши. Они получают питательные элементы из почвы посредством корневой системы, которые транспортируются через стебель в листья, где берут начало процессы фотосинтеза. Лишайники, мхи, папоротникообразные, голосеменные и покрытосеменные (цветковые) являются одним из важнейших элементов географического ландшафта, доминируют здесь цветковые, которых более 250 тыс. видов. Растительность суши главный генератор кислорода, поступающего в атмосферу, и ее бездумное уничтожение не только оставит животных и человека без пищи, но и без кислорода. Грибы низшие организмы, не содержат хлорофила, размеры их от микроскопических до крупных, типа дождевиков, насчитывается их более 100 тыс. видов. Тело гриба состоит из нитчатых образований, которые формируют грибницу или мицелий. Все грибы гетеротрофные организмы, среди которых сапрофиты, и паразиты. Около трех четвертей всех грибов сапрофиты, питающиеся гниющими растениями, некоторые грибы паразитируют на растениях и единичные на животных. Большую пользу растениям приносят грибы симбиотиты, которые органически связаны с растениями: они помогают усваивать труднодоступные вещества гумуса, помогают своими ферментами в обмене веществ, связывают свободный азот и т. д. Низшие почвенные грибы играют основную роль в процессах почвообразования. Животные представлены большим разнообразием форм и размеров, их более 1,7 млн видов. Все царство животных это гетеротрофные организмы, консументы. Наибольшее количество видов и наибольшая численность особей у членистоногих. Насекомых, например, столько, что на каждого человека их приходится более 200 млн особей. На втором месте по количеству видов стоит класс моллюсков, но их численность значительно меньше, чем насекомых. На третьем месте по числу видов выступают позвоночные, среди которых млекопитающие занимают примерно десятую часть, а половина всех видов приходится на рыб. Значит, большая часть видов позвоночных формировалась в водных условиях, а насекомые это сугубо животные суши. Насекомые развивались на суше в тесной связи с цветковыми растениями, являясь их опылителями. Эти растения появились позже других видов, но более половины видов всех растений приходится на цветковые. Видообразование в этих двух классах организмов находилось и находится сейчас в тесной взаимосвязи. Если сравнить количество видов сухопутных организмов и водных, то это соотношение будет примерно одинаково и для растений, и для животных количество видов на суше 9293%, в воде 78%, значит, выход организмов на сушу дал мощный толчок эволюционному процессу в направлении увеличения видового разнообразия, что ведет к повышению устойчивости природных сообществ организмов и экосистем в целом. 1.4. О СРЕДЕ ОБИТАНИЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРАХ Среда обитания организма это совокупность абиотических и биотических уровней его жизни. Свойства среды постоянно меняются и любое существо, чтобы выжить, приспосабливается к этим изменениям. Земной биотой освоены три основные среды обитания: водная, наземно-воздушная и почвенная вместе с горными породами приповерхностной части литосферы. Биологи еще часто выделяют четвертую среду жизни сами живые организмы, заселенные паразитами и симбионтами. Воздействие среды воспринимается организмами через посредство факторов среды, называемых экологическими. Экологические факторы это определенные условия и элементы среды, которые оказывают 19 специфическое воздействие на организм. Они подразделяются на абиотические, биотические и антропогенные (рис. 1.3). Рис. 1.3. Классификация экологических факторов Абиотическими факторами называют всю совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и растений. Среди них различают физические, химические и эдафические. Нам представляется, что не следует недооценивать экологическую роль 20 естественных геофизических полей. Физические факторы это те, источником которых служит физическое состояние или явление (механическое, волновое и др.). Например, температура если она высокая, будет ожог, если очень низкая обмораживание. На действие температуры могут повлиять и другие факторы: в воде течение, на суше ветер и влажность, и т. п. Химические факторы это те, которые происходят от химического состава среды. Например, соленость воды, если она высокая, жизнь в водоеме может вовсе отсутствовать (Мертвое море), но в то же время, в пресной воде не могут жить большинство морских организмов. От достаточности содержания кислорода зависит жизнь животных на суше и в воде, и т. п. Эдафические факторы, т. е. почвенные, это совокупность химических, физических и механических свойств почв и горных пород, оказывающих воздействие как на организмы, живущие в них, т. е. для которых они являются средой обитания, так и на корневую систему растений. Хорошо известны влияния химических компонентов (биогенных элементов), температуры, влажности, структуры почв, содержания гумуса и т. п. на рост и развитие растений. Естественные геофизические поля оказывают глобальное экологическое воздействие на биоту Земли и человека. Хорошо известно экологическое значение, например, магнитного, электромагнитного, радиоактивного и других полей Земли. Геофизические поля также являются физическими факторами, но имеют литосферную природу, более того, можно с полным основанием считать, что и эдафические факторы имеют преимущественно литосферную природу, так как средой их возникновения и действия является почва, которая формируется из горных пород поверхностной части литосферы, поэтому мы их и объединили в одну группу (см. рис. 1.3). Однако не только абиотические факторы влияют на организмы. Организмы образуют сообщества, где им приходится бороться за пищевые ресурсы, за обладание определенными пастбищами или территорией охоты, т. е. вступать в конкурентную борьбу между собой как на внутривидовом, так и, особенно, на межвидовом уровне. Это уже факторы живой природы, или биотические факторы. Биотические факторы совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других, а также на неживую среду обитания (Хрусталев и др., 1996). В последнем случае речь идет о способности самих организмов в определенной степени влиять на условия обитания. Например, в лесу под влиянием растительного покрова создается особый микроклимат, или микросреда, где по сравнению с открытым местообитанием создается свой температурновлажностной режим: зимой здесь на несколько градусов теплее, летом прохладнее и влажнее. Особая микросреда создается также в дуплах деревьев, в норах, пещерах и т. п. Особо следует отметить условия микросреды под снежным покровом, которая имеет уже чисто абиотическую природу. В результате отепляющего действия снега, которое наиболее эффективно при его толщине не менее 5070 см, в его основании, примерно в 5-сантиметровом слое, живут зимой мелкие животные-грызуны, так как температурные условия для них здесь благоприятны (от 0 до минус 2 С). Благодаря этому же эффекту сохраняются под снегом всходы озимых злаков ржи, пшеницы. В снегу от сильных морозов прячутся и крупные животные олени, лоси, волки, лисицы, зайцы и др., ложась в снег для отдыха. Внутривидовые взаимодействия между особями одного и того же вида складываются из группового и массового эффектов и внутривидовой конкуренции. Групповой и массовый эффекты термины, предложенные Грассе (1944), обозначают объединение животных одного вида в группы по две или более особей и эффект, вызванный перенаселением среды. В настоящее время чаще всего эти эффекты называются демографическими факторами. Они характеризуют динамику численности и плотность групп организмов на популяционном уровне, в основе которой лежит внутривидовая конкуренция, которая в корне отличается от межвидовой. Она проявляется в основном в территориальном поведении животных, которые защищают места своих гнездовий и известную площадь в округе. Так действуют многие птицы и рыбы. Межвидовые взаимоотношения значительно более разнообразны (см. рис.1.3). Два живущие 21 рядом вида могут вообще никак не влиять друг на друга, могут влиять и благоприятно, и неблагоприятно. Возможные типы комбинаций и отражают различные виды взаимоотношений: нейтрализм оба вида независимы и не оказывают никакого действия друг на друга; конкуренция каждый из видов оказывает на другой неблагоприятное воздействие; мутуализм виды не могут существовать друг без друга; протокооперация (содружество) оба вида образуют сообщество, но могут существовать и раздельно, хотя сообщество приносит им обоим пользу; комменсализм один вид, комменсал, извлекает пользу от сожительства, а другой вид хозяин не имеет никакой выгоды (взаимная терпимость); аменсализм один вид, аменсал, испытывает от другого угнетение роста и размножения; паразитизм паразитический вид тормозит рост и размножение своего хозяина и даже может вызвать его гибель; хищничество хищный вид питается своей жертвой. Межвидовые отношения лежат в основе существования биотических сообществ (биоценозов). Антропогенные факторы факторы, порожденные человеком и воздействующие на окружающую среду (загрязнение, эрозия почв, уничтожение лесов и т. д.), рассматриваются в прикладной экологии (см. «Часть II» настоящего учебника). Среди абиотических факторов довольно часто выделяют климатические (температура, влажность воздуха, ветер и др.) и гидрографические факторы водной среды (вода, течение, соленость и др.). Большинство факторов, качественно и количественно, изменяются во времени. Например, климатические в течение суток, сезона, по годам (температура, освещенность и др.). Факторы, изменения которых во времени повторяются регулярно, называют периодическими. К ним относятся не только климатические, но и некоторые гидрографические приливы и отливы, некоторые океанские течения. Факторы, возникающие неожиданно (извержение вулкана, нападение хищника и т. п.), называются непериодическими. Подразделение факторов на периодические и непериодические (Мончадский, 1958) имеет очень большое значение при изучении приспособленности организмов к условиям жизни. 1.5. ОБ АДАПТАЦИЯХ ОРГАНИЗМОВ К СРЕДЕ ОБИТАНИЯ Адаптация (лат. приспособление) приспособление организмов к среде. Этот процесс охватывает строение и функции организмов (особей, видов, популяций) и их органов. Адаптация всегда развивается под воздействием трех основных факторов изменчивости, наследственности и естественного отбора (равно как и искусственного, осуществляемого человеком). Основные адаптации организмов к факторам внешней среды наследственно обусловлены. Они формировались на историко-эволюционном пути биоты и изменялись вместе с изменчивостью экологических факторов. Организмы адаптированы к постоянно действующим периодическим факторам, но среди них важно различать первичные и вторичные. Первичные это те факторы, которые существовали на Земле еще до возникновения жизни: температура, освещенность, приливы, отливы и др. Адаптация организмов к этим факторам наиболее древняя и наиболее совершенная. Вторичные периодические факторы являются следствием изменения первичных: влажность воздуха, зависящая от температуры; растительная пища, зависящая от цикличности в развитии растений; ряд биотических факторов внутривидового влияния и др. Они возникли позднее первичных, и адаптация к ним не всегда четко выражена. В нормальных условиях в местообитании должны действовать только периодические факторы, непериодические отсутствовать. Непериодические факторы обычно воздействуют катастрофически: могут вызвать болезни 22 или даже смерть живого организма. Человек использовал это в своих интересах, искусственно вводя периодические факторы, введением химической отравы уничтожает вредные для него организмы: паразитов, вредителей сельхозкультур, болезнетворных бактерий, вирусы и т. п. Но оказалось, что длительное воздействие этого фактора также может вызвать к нему адаптацию: насекомые адаптировались к ДДТ, бактерии и вирусы к антибиотикам и т. д. Источником адаптации являются генетические изменения в организме мутации, возникающие как под влиянием естественных факторов на историко-эволюционном этапе, так и в результате искусственного влияния на организм. Мутации разнообразны и их накопление может даже привести к дезинтеграционным явлениям, но благодаря отбору мутации и их комбинирование приобретают значение «ведущего творческого фактора адаптивной организации живых форм» (БСЭ. 1970. Т. 1). На историко-эволюционном пути развития на организмы действуют абиотические и биотические факторы в комплексе. Известны как успешные адаптации организмов к этому комплексу факторов, так и «безуспешные», т. е. вместо адаптации вид вымирает. Прекрасный пример успешной адаптации эволюция лошади в течение примерно 60 млн лет от низкорослого предка до современного и красивейшего быстроногого животного с высотой в холке до 1,6 м. Противоположный этому пример сравнительно недавнее (десятки тысяч лет назад) вымирание мамонтов. Высокоаридный, субарктический климат последнего оледенения привел к исчезновению растительности, которой питались эти животные, кстати, хорошо приспособленные к низким температурам (Величко, 1970). Кроме того, высказываются мнения, что в исчезновении мамонта «повинен» и первобытный человек, которому тоже надо было выжить: мясо мамонтов употреблялось им в качестве пищи, а шкура спасала от холода. В приведенном примере с мамонтами недостаток растительной пищи вначале ограничивал количество мамонтов, а ее исчезновение привело к их гибели. Растительная пища выступала здесь в виде лимитирующего фактора. Эти факторы играют важнейшую роль в выживании и адаптации организмов. 1.6. ЛИМИТИРУЮЩИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ Впервые на значение лимитирующих факторов указал немецкий агрохимик Ю. Либих в середине ХIХ в. Он установил закон минимума: урожай (продукция) зависит от фактора, находящегося в минимуме. Если в почве полезные компоненты в целом представляют собой уравновешенную систему и только какое-то вещество, например, фосфор, содержится в количествах, близких к минимуму, то это может снизить урожай. Но оказалось, что даже те же самые минеральные вещества, очень полезные при оптимальном содержании их в почве, снижают урожай, если они в избытке. Значит, факторы могут быть лимитирующими, находясь и в максимуме. Таким образом, лимитирующими экологическими факторами следует называть такие факторы, которые ограничивают развитие организмов из-за их недостатка или избытка по сравнению с потребностью (оптимальным содержанием). Их иногда называют ограничивающими факторами. Что касается закона минимума Ю. Либиха, то он имеет ограниченное действие и только на уровне химических веществ. Р. Митчерлих показал, что урожай зависит от совокупного действия всех факторов жизни растений, включая сюда температуру, влажность, освещенность и т. д. Различия в совокупном и изолированном действиях относятся и к другим факторам. Например, с одной стороны, действие отрицательных температур усиливается ветром и высокой влажностью воздуха, но с другой высокая влажность ослабляет действие высоких температур и т. д. Но несмотря на взаимовлияние факторов, все-таки они не могут заменить друг друга, что и нашло отражение в законе независимости факторов В. Р. Вильямса: условия жизни равнозначны, ни один из факторов жизни не может быть заменен другим. Например, нельзя действие влажности (воды) заменить действием углекислого газа или солнечного света и т. д. 23 Наиболее полно и в наиболее общем виде всю сложность влияния экологических факторов на организм отражает закон толерантности В. Шелфорда: отсутствие или невозможность процветания определяется недостатком (в качественном или количественном смысле) или, наоборот, избытком любого из ряда факторов, уровень которых может оказаться близким к пределам переносимого данным организмом. Эти два предела называют пределами толерантности. Относительно действия одного фактора можно проиллюстрировать этот закон так: некий организм способен существовать при температуре от минус 5 до плюс 25 0С, т. е. диапазон его толерантности лежит в пределах этих температур. Организмы, для жизни которых требуются условия, ограниченные узким диапазоном толерантности по величине температуры, называют стенотермными («стено» узкий), а способные жить в широком диапазоне температур эвритермными («эври» широкий) (рис. 1.4). Рис. 1.4. Сравнение относительных пределов толерантности стенотермных и эвритермных организмов (по Ф. Руттнеру, 1953) Подобно температуре действуют и другие лимитирующие факторы, а организмы по отношению к характеру их воздействия называют, соответственно, стенобионтами и эврибионтами. Например, говорят, организм стенобионтен по отношению к влажности или эврибионтен к климатическим факторам и т. п. Организмы, эврибионтные к основным климатическим факторам, наиболее широко распространены на Земле. Диапазон толерантности организма не остается постоянным он, например, сужается, если какой либо из факторов близок к какому-либо пределу или при размножении организма, когда многие факторы становятся лимитирующими. Значит, и характер действия экологических факторов при определенных условиях может меняться, т. е. он может быть, а может и не быть лимитирующим. При этом нельзя забывать, что организмы и сами способны снизить лимитирующее действие факторов, создав, например, определенный микроклимат (микросреду). Здесь возникает своебразная компенсация факторов, которая наиболее эффективна на уровне сообществ, реже на видовом уровне. Такая компенсация факторов обычно создает условия для физиологической акклиматизации вида-эврибиота, имеющего широкое распространение, который, акклиматизируясь в данном конкретном месте, создает своеобразную популяцию, которую называют экотипом, пределы толерантности которой соответствуют местным условиям. При более глубоких адаптационных процессах здесь могут появиться и генетические расы. Итак, в природных условиях организмы зависят от состояния критических физических факторов, от содержания необходимых веществ и от диапазона толерантности самих организмов к этим и другим компонентам среды. 24 Контрольные вопросы 1. Что такое уровни биологической организации жизни? Какие из них являются объектами изучения экологии? 2. Что такое биогеоценоз и экосистема? 3. Как подразделяются организмы по характеру источника питания? По экологическим функциям в биотических сообществах? 4. Что такое живой организм и чем он отличается от неживой природы? 5. Каков механизм адаптации при взаимодействии организма как целостной системы с окружающей средой? 6. Что такое дыхание и фотосинтез растений? Какое значение имеют метаболические процессы автотрофов для биоты Земли? 7. В чем суть биогенетического закона? 8. В чем особенности современной классификации организмов? 9. Что такое среда обитания организма? Понятия об экологических факторах. 10. Как называют совокупность факторов неорганической среды? Приведите наименование и дайте определение этих факторов. 11. Как называют совокупность факторов живой органической среды? Приведите наименование и дайте определение влияний жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других на внутривидовом и межвидовом уровнях. 12. В чем суть адаптаций? Каково значение периодических и непериодических факторов в процессах адаптации?. 13. Как называются экологические факторы, ограничивающие развитие организма? Законы минимума Ю. Либиха и толерантности В. Шелфорда. 14. В чем сущность изолированного и совокупного действия экологических факторов? Закон В. Р. Вильямса. 15. Что понимается под диапазоном толерантности организма и как они подразделяются в зависимости от величины этого диапазона? 25 ГЛАВА 2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ И РЕСУРСЫ СРЕДЫ 2.1. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ В ЖИЗНИ ОРГАНИЗМОВ Влияние температуры на организмы Температура важнейший из ограничивающих (лимитирующих) факторов. Пределами толерантности для любого вида являются максимальная и минимальная летальные температуры, за пределами которых биологический вид смертельно поражают жара или холод (рис. 2.1). Если не принимать во внимание некоторые уникальные исключения, все живые существа способны жить при температуре между 0 и 50 С, что обусловлено свойствами протоплазмы клеток. Рис. 2.1 Общий закон биологической стойкости (по М. Ламотту) На рис. 2.1 показаны температурные пределы жизни видовой группы, популяции. В «оптимальном интервале» организмы чувствуют себя комфортно, активно размножаются и численность популяции растет. В крайних участках этого интервала участках «пониженной жизнедеятельности» организмы чувствуют себя угнетенно. При дальнейшем похолодании в пределах «нижней границы стойкости» или увеличении жары в пределах «верхней границы стойкости» организмы попадают в «зону смерти» и погибают. Этим примером иллюстрируется общий закон биологической стойкости (по М. Ламотту), применимый к любому из важных лимитирующих факторов. Величина «оптимального интервала» характеризует «величину» стойкости организмов, т. е. величину его толерантности к этому фактору, или «экологическую валентность». Адаптационные процессы у животных по отношению к температуре привели к появлению пойкилотермных и гомойотермных животных. Подавляющее большинство животных являются пойкилотермными, т. е. температура их собственного тела меняется с изменением температуры окружающей среды: земноводные, пресмыкающиеся, насекомые и др. Значительно меньшая часть животных гомойотермные, т. е. имеют постоянную температуру тела, независящую от температуры внешней среды: млекопитающие (в том числе и человек), имеющие температуру тела 3637 С, и птицы с температурой тела 40 С. Активную жизнь при температуре ниже нуля могут вести только гомойотермные животные. 26 Пойкилотермные хотя выдерживают температуру значительно ниже нуля, но при этом теряют подвижность. Температура порядка плюс 40 С, т. е. даже ниже температуры свертывания белка, для большинства животных предельна. Не меньшее значение температура играет в жизни растений. При повышении температуры на 10 С интенсивность фотосинтеза увеличивается в два раза, но лишь до плюс 3035 С, затем его интенсивность падает и при плюс 4045 С фотосинтез вообще прекращается. При 50 С большинство наземных растений погибает, что связано с интенсификацией дыхания растений при повышении температуры, а затем его прекращения при 50 С. Температура влияет и на ход корневого питания у растений: этот процесс возможен лишь при условии, когда температура почвы на всасывающих участках на несколько градусов ниже температуры наземной части растения. Нарушение этого равновесия влечет за собой угнетение жизнедеятельности растения и даже его гибель. Известны морфологические приспособления растений к низким температурам, так называемые жизненные формы растений, которые, например, можно выделить по положению почек возобновления растительных видов по отношению к поверхности почвы и к защите, которую они получают от снежного покрова, лесной подстилки, слоя почвы и т. п. Вот некоторые из форм (по Раункеру): эпифиты растут на других растениях и не имеют корней в почве; фанерофиты (деревья, кустарники, лианы) их почки остаются зимой над поверхностью снега и нуждаются в защите покровными чешуйками; криптофиты, или геофиты, теряют всю видимую растительную массу и прячут свои почки в клубнях, луковицах или корневищах, скрытых в почве; терофиты однолетние растения, отмирающие с наступлением неблагоприятного сезона, выживают лишь семена или споры; гидрофиты объединяют все водные растения, образующие к тому же весьма разнородную группу. Морфологические адаптации к климатическим условиям жизни, и прежде всего к температурным, наблюдаются также у животных. Жизненные формы животных одного вида сформировались под воздействием низких температур от минус 20 до минус 40 С, при которых они вынуждены накапливать питательные вещества и увеличивать вес тела: из всех тигров самый крупный амурский тигр, живущий в наиболее северных и суровых условиях. Эта закономерность именуется правилом Бергмана: у теплокровных животных размер тела особей в среднем больше у популяций, живущих в более холодных частях ареала распространения вида. Но в жизни животных гораздо большее значение имеют физиологические адаптации, простейшей из которых является акклиматизация физиологическое приспособление к перенесению жары или холода. Например, борьба с перегревом путем увеличения испарения, борьба с охлаждением у пойкилотермных животных путем частичного обезвоживания своего тела или накопления специальных веществ, понижающих точку замерзания, у гомойотермных за счет изменения обмена веществ. Существуют и более радикальные формы защиты от холода миграция в более теплые края (перелеты птиц; высокогорные серны на зиму переходят на более низкие высоты и др.), зимовка впадение в спячку на зимний период (сурок, белка, бурый медведь, летучие мыши: они способны понижать температуру своего тела почти до нуля, замедляя метаболизм и, тем самым, трату питательных веществ). Большинство животных зимой находятся в неактивном состоянии, а насекомые вообще в неподвижном, остановившись в своем развитии. Это явление называют диапаузой и она может наступать на разных стадиях развития насекомых яйца, личинки, куколки и даже на стадии взрослой особи (бабочки, например). Но многие организмы умеренных широт в этот период ведут активный образ жизни (волки, олени, зайцы и др.), а некоторые даже размножаются (королевские пингвины и др.). Таким образом, температура, являясь важнейшим лимитирующим фактором, оказывает весьма существенное влияние на адаптационные процессы в организмах и популяциях наземно-воздушной среды. 27 Свет и его роль в жизни организмов Свет это первичный источник энергии, без которого невозможна жизнь на Земле. Он участвует в фотосинтезе, обеспечивая создание органических соединений из неорганических растительностью Земли, и в этом его важнейшая энергетическая функция. Но в фотосинтезе участвует лишь часть спектра в пределах от 380 до 760 нм, которую называют областью физиологически активной радиации (ФАР). Внутри нее для фотосинтеза наибольшее значение имеют красно-оранжевые лучи (600700 нм) и фиолетово-голубые (400500 нм), наименьшее желтозеленые (500600 нм). Последние отражаются, что и придает хлорофилоносным растениям зеленую окраску. Однако свет не только энергетический ресурс, но это и важнейший экологический фактор, весьма существенно влияющий на биоту в целом и на адаптационные процессы и явления в организмах. За пределами видимого спектра и ФАР остаются инфракрасная (ИК) и ультрафиолетовая (УФ) области. УФ-излучение несет много энергии и обладает фотохимическим воздействием организмы к нему очень чувствительны. ИК-излучение обладает значительно меньшей энергией, легко поглощается водой, но некоторые сухопутные организмы используют его для поднятия температуры тела выше окружающей. Важное значение для организмов имеет интенсивность освещения. Растения по отношению к освещенности подразделяются на светолюбивые (гелиофиты), тенелюбивые (суциофиты) и теневыносливые. Первые две группы обладают разными диапазонами толерантности в пределах экологического спектра освещенности. Яркий солнечный свет оптимум гелиофитов (луговые травы, хлебные злаки, сорняки и др.), слабая освещенность оптимум тенелюбивых (растения таежных ельников, лесостепных дубрав, тропических лесов). Первые не выносят тени, вторые яркого солнечного света. Теневыносливые растения имеют широкий диапазон толерантности к свету и могут развиваться как при яркой освещенности, так и в тени. Свет имеет большое сигнальное значение и вызывает регуляторные адаптации организмов. Одним из самых надежных сигналов, регулирующих активность организмов во времени, является длина дня фотопериод. Фотопериодизм как явление это реакция организма на сезонные изменения длины дня. Длина дня в данном месте, в данное время года всегда одинакова, что позволяет растению и животному определиться на данной широте со временем года, т. е. временем начала цветения, созревания и т. п. Иными словами, фотопериод это некое «реле времени», или «пусковой механизм», включающий последовательность физиологических процессов в живом организме. Фотопериодизм нельзя отождествлять с обычными внешними суточными ритмами, обусловленными просто сменой дня и ночи. Однако суточная цикличность жизнедеятельности у животных и человека переходит во врожденные свойства вида, т. е. становится внутренними (эндогенными) ритмами. Но, в отличие от изначально внутренних ритмов, их продолжительность может отличаться от точной цифры 24 часа на 1520 минут и поэтому их называют циркадными (в переводе близкие к суткам). Эти ритмы помогают организму чувствовать время и эту способность называют «биологическими часами». Они помогают птицам при перелетах ориентироваться по солнцу и вообще ориентируют организмы в более сложных ритмах природы. Фотопериодизм, хотя и наследственно закреплен, проявляется лишь в сочетании с другими факторами, например, температурой: если в день Х холодно, то растение зацветает позже, или в случае с вызреванием если холод наступает раньше дня Х, то, скажем, картофель дает низкий урожай и т. п. В субтропической и тропической зоне, где длина дня по сезонам года меняется мало, фотопериод не может служить важным экологическим фактором на смену ему приходит 28 чередование засушливых и дождливых сезонов, а в высокогорье главным сигнальным фактором становится температура. Так же, как на растениях, погодные условия отражаются на пойкилотермных животных, а гомойотермные отвечают на это изменениями в своем поведении: изменяются сроки гнездования, миграции и др. Человек научился использовать описанные выше явления. Длину светового дня можно изменять искусственно, тем самым изменяя сроки цветения и плодоношения растений (выращивание рассады еще в зимний период и даже плодов в теплицах), увеличивая яйценоскость кур и др. Развитие живой природы по сезонам года происходит в соответствии с биоклиматическим законом, который носит имя Хопкинса: сроки наступления различных сезонных явлений (фенодат) зависят от широты, долготы местности и ее высоты над уровнем моря. Значит, чем севернее, восточнее и выше местность, тем позже наступает весна и раньше осень. Для Европы на каждом градусе широты сроки сезонных событий наступают через три дня, в Северной Америке в среднем через четыре дня на каждый градус широты, на пять градусов долготы и на 120 м высоты над уровнем моря. Знание фенодат имеет большое значение для планирования различных сельхозработ и других хозяйственных мероприятий. Вода в жизни организмов Вода физиологически необходима любой протоплазме и с экологической точки зрения является лимитирующим фактором как в наземных, так и в водных местообитаниях, если там ее количество подвержено резким изменениям (приливы, отливы) или происходит ее потеря организмом в сильно соленой воде осмотическим путем. В наземно-воздушной среде этот абиотический фактор характеризуется величиной количества осадков, влажности, иссушающими свойствами воздуха и доступным для растения запасом воды. Количество атмосферных осадков обусловлено физико-географическими условиями и неравномерно распределено на земном шаре (рис. 2.2). Но для организмов важнейшим лимитирующим фактором является распределение осадков по сезонам года. В умеренных широтах даже при достаточном количестве годовых осадков их неравномерное распределение может привести к гибели растений от засухи или, наоборот, от переувлажнения. В тропической зоне организмам приходится переживать влажные и сухие сезоны, регулирующие их сезонную активность при постоянной почти круглый год температуре. 29 Рис. 2.2. распределение годичного количества осадков по земному шару: Адаптированные к условиям пустыни растения содержат ингибитор прорастания, который вымывается лишь при определенном количестве осадков, достаточном для вегетации (например, 10 мм), и тогда только прорастает. Начинается кратковременное «цветение пустыни» (обычно весной). Влажность воздушной среды измеряется обычно в показателях относительной влажности, т. е. в виде процента реального давления водяного пара от давления насыщенного пара при той же температуре. Отсюда способность влажности изменять эффекты температуры: понижение влажности ниже некоторого предела при данной температуре ведет к иссушающему действию воздуха. Иссушающее действие воздуха имеет для растений наиболее важное экологическое значение. Подавляющее большинство растений всасывает воду корневой системой из почвы. Иссушение почвы затрудняет всасывание. Адаптация растений к этим условиям увеличение всасывающей силы и активной поверхности корней. Величина этой силы у корней умеренной зоны от 2 до 4 .106 Па, а у растений сухих областей до 6.106 Па. Как только выбрана доступная вода в данном объеме, корни растут далее вглубь и в стороны и корневая система может достигнуть, например, у злаков длины 13 км на 1000 см3 почвы (без корневых волосков) (рис. 2.3). Вода расходуется на фотосинтез, всего около 0,5%, всасывается клетками, а 9799% ее уходит на транспирацию испарение через листья. При достатке воды и питательных веществ рост растений пропорционален транспирации, а ее эффективность будет наивысшей. Эффективность транспирации это отношение прироста вещества (чистой продукции) к количеству транспирированной воды. Измеряется в граммах сухого вещества на 1000 см3 воды. Для большинства растений она равна двум, т. е. на получение каждого грамма живого вещества тратится 500 г воды, даже для большинства засухоустойчивых. Основная форма адаптации не снижение транспирации, а прекращение роста в период засухи. В нижних ярусах тропических дождевых лесов, где 100%-ная относительная влажность, есть растения с приспособлениями для потери воды, а в пустынях у некоторых растений водный баланс не нарушается даже в период непродолжительной засухи и т. д. В зависимости от способов адаптации растений к влажности выделяют несколько экологических групп, например: гигрофиты наземные растения, живущие в очень влажных почвах и в условиях повышенной влажности (рис, папирус); мезофиты переносят незначительную засуху (древесные растения различных климатических зон, травянистые растения дубрав, большинство культурных растений и др.); ксерофиты растения сухих степей и пустынь, способные накапливать влагу в мясистых листьях и стеблях суккуленты (алоэ, кактусы и др.), а также обладающие большой всасывающей силой корней и способные снижать транспирацию с узкими мелкими листьями склерофиты. 30 Рис. 2.3. Корневые системы растений в разных условиях водоснабжения (по М. С. Шалыту, 1950, и Б. А. Тихомирову, 1963): а Festuca sulcata; б Euphorbia gerardiana (на черноземах Аскания-Нова); в Eriophorum scheuchzeri; г Hierochloe alpina (из тундры Таймыра) Среди суккулентов наблюдается явление конвергенции растения, относящиеся к разным видам, имеют практически одинаковую форму: африканский молочай и кактус имеют шарообразную форму (рис. 2.4), обеспечивающую наименьшую поверхность испарения. Рис. 2.4. Конвергенция растений: а молочай пухлый; б астрофитум козлорогий Доступный запас воды, т. е. такой воды, которую способна поглощать корневая система 31 растений, зависит прежде всего от количества осадков в данном районе и водопроницаемости поверхностных отложений. Даже при большом количестве осадков высокая проницаемость песчаных и песчано-гравийных отложений приведет к быстрой фильтрации воды в глубину, осушая почву. В случае если естественный источник не обеспечивает достаточный запас доступной влаги, прибегают к искусственным способам его пополнения орошению с помощью устройства ирригационных систем. У животных по отношению к воде также выделяют свои экологические группы: гигрофилы (влаголюбивые) и ксерофилы (сухолюбивые), а также промежуточную группу мезофилов. Способы регуляции водного баланса у них поведенческие, морфологические и физиологические. К поведенческим способам относятся перемещение в более влажные места, периодическое посещение водопоя, переход к ночному образу жизни и др. К морфологическим адаптациям приспособления, задерживающие воду в теле: раковины наземных улиток, роговые покровы у рептилий и др. Физиологические приспособления направлены на образование метаболической воды, являющейся результатом обмена веществ и позволяющей обходиться без питьевой воды. Она широко используется насекомыми и часто такими животными, как верблюд, овца, собака, которые могут выдержать потерю воды, соответственно, 27, 23 и 17%. Человек погибает уже при 10% потере воды. Пойкилотермные животные более выносливы, так как им не приходится использовать воду на охлаждение, как теплокровным. Совместное действие температуры и влажности Температура и влажность, действуя в непрерывном единстве, определяют «качество» климата: высокая влажность в течение года сглаживает сезонные колебания температур это морской климат, высокая сухость воздуха приводит к резким колебаниям температур континентальный климат. Разнообразие климата на просторах России создает большое разнообразие экологических условий, и, как следствие, флора и фауна нашей страны отличаются широким видовым разнообразием и пока еще остаются одними из богатейших в мире. Температура и влажность достаточно надежно оцениваются количественно, и поскольку они являются определяющими из всех внешних лимитирующих факторов, то с их воздействием легко коррелируются большинство экологических явлений в животном и растительном мире. На рис. 2.5 приведена экограмма продолжительности жизни насекомого яблоневой плодожорки. Кривые соединяют точки с одинаковой продолжительностью жизни или соответствуют равным смертностям. Как видно из рисунка, смертность ничтожна при температуре 24 С и 70% относительной влажности. Такие экограммы можно построить для любых вредных насекомых в данной местности, например, комаров, хлопкового долгоносика и т. п. По этим данным можно прогнозировать их активность и направление борьбы с ними, в том числе и биологическими методами экологически наиболее безопасными. 32 Рис. 2.5. Продолжительность жизни куколки яблоневой плодожорки Carpocapsa pomonella в зависимости от влажности и температуры (по В. Шелфорду) Водная среда Здесь основные экологические факторы течения и волнения в реках, морях, океанах, действующие практически постоянно. Они могут косвенно влиять на организм, изменяя ионный состав и минерализацию воды, тем самым изменяя состав и концентрацию питательных веществ, а также и прямое действие, вызывающее адаптации животных и растений к течению. Например, рыбы в спокойных реках имеют сплюснутое с боков тело (лещ, плотва), а в быстрых округлое в сечении (форель), водоросли так же морфологически приспособлены к течениям, прикрепляются к субстрату, и т. п. Особенно ощутимо на организмы воздействует волнение воды на скалистых берегах сила удара волны может достигать 0,3 МПа, но и на них удерживаются прикрепленные животные (усоногие рачки, брюхоногие моллюски и др.). Вода достаточно плотная среда, оказывающая ощутимое сопротивление движению животных. Поэтому для них характерна обтекаемая форма тела, как для рыб (акула), так и для млекопитающих (дельфин) и даже моллюсков (головоногие моллюски: осьминоги, каракатицы и др.). Самые совершенные морфологические адаптации у дельфина. Атмосферные газы как экологический фактор Воздушная среда имеет малые плотности и подъемную силу, незначительную опорность. Поэтому в ней нет постоянно живущих организмов и все ее обитатели связаны с поверхностью Земли. Но воздушная среда оказывает на организмы не только физическое, но и химическое воздействие, обеспечивая их дыхание и фотосинтез. Физические факторы воздушной среды К этим факторам относятся движение воздушных масс и атмосферное давление. 33 Движение воздушных масс может быть в виде их пассивного перемещения конвективной природы или в виде ветра вследствие циклонической деятельности атмосферы Земли. В первом случае обеспечивается расселение спор, пыльцы, семян, микроорганизмов и мелких животных, которые имеют специальные для этого приспособления анемохоры: очень мелкие размеры, парашутовидные придатки и др. (рис. 2.6). Всю эту массу организмов называют аэропланктоном. Во втором случае ветер также переносит аэропланктон, но на значительно большие расстояния, при этом может перенести и загрязняющие вещества в новые зоны и т. п. Рис. 2.6. Плоды, расселяющиеся с помощью ветра, анемохоры (по Ю.С. Левину, 1951): а семя с хохолком кипрея горного; б плод валерианы; в плод двукрылоподобного; г плод березы; д крылатка клена Ветер, подобно течениям в реках, может оказывать и прямое воздействие на растения, например, на их рост (рис. 2.7), угнетающее действие на активность животных, например, птиц. Рис. 2.7. Флаговая форма сосны на побережье Балтийского моря близ Ростока (по Wachs H.) Низкая сопротивляемость воздуха, в ходе эволюции, была использована для перемещения многими животными, вплоть до рептилий. Сейчас около 75% наземных видов различными способами (мускульные усилия, планирование) приспособлены к полету. Для птиц, летучих мышей полет это поиск добычи. Атмосферное давление оказывает весьма существенное экологическое воздействие, в особенности на позвоночных животных, которые из-за этого не могут жить выше 6000 м над уровнем моря. 34 Химические факторы воздушной среды Химический состав атмосферы весьма однороден: азота 78,8, кислорода 21, аргона 0,9, углекислого газа 0,03% по объему. По современным данным, концентрации диокосида углерода (CO2) и кислорода (O2) в значительной степени лимитирующие факторы даже в наземных условиях: содержание CO2 находится где-то в минимуме, а кислорода в максимуме толерантности растений по этим факторам (Ю. Одум, 1986). Тем не менее, пока в приземной части атмосферы нет перетока кислорода или избытка диоксида углерода (хотя по CO2 есть данные об увеличении ее содержания). В почвах и подстилающих их породах, вплоть до уровня грунтовых вод (в зоне аэрации), углекислого газа уже 10%, а кислород становится лимитирующим фактором для аэробов-редуцентов, что приводит к замедлению разложения отмершей органики. В воде кислорода в 20 раз меньше, чем в атмосфере, и здесь он является лимитирующим фактором. Источниками его являются диффузия из атмосферного воздуха и фотосинтез водных растений (водорослей), а растворению способствуют понижение температуры, ветер и волнения воды. Лимитирующее действие CO2 в воде не явно выражено, но известно, что высокое его содержание ведет к гибели рыб и других животных. При растворении CO2 в воде образуется слабая угольная кислота H2CO3, легко образующая карбонаты и бикарбонаты. Карбонаты источник питательных веществ для построения раковин и костной ткани и хороший буфер для поддержания водородного показателя (рН) водной среды на нейтральном уровне. Важность последнего обстоятельства состоит в том, что для гидробионтов интервал толерантности по рН столь узок, что даже незначительные отклонения от оптимума приводят организм к гибели. Это связано с нарушением очень тонкой системы ферментной регуляции в организме. Поскольку величина рН пропорциональна количеству CO2 в воде, то ее измерение позволяет судить о скорости общего метаболизма водной экосистемы (гидроэкосистемы). Пожары Своеобразным комплексом физического и химического воздействия на биоту в наземновоздушных условиях являются пожары, которые издавна стали неотъемлемой частью климата и их надо рассматривать как важный экологический фактор наряду с температурой, атмосферными осадками и почвой (Ю. Одум, 1975, 1986). Следует различать пожары по своему действию на верховые и низовые. Верховые пожары уничтожают всю растительность и большинство животных, после них все начинается сначала, и могут пройти многие десятки лет, прежде чем снова вырастет лес. Низовые пожары обладают избирательностью, способствуют развитию адаптирования к огню организмов, стимулируют разлагающую деятельность бактерий и превращение минеральных веществ в форму, доступную для питания растений нового поколения, ослабляют опасность верховых пожаров, способствуют созданию условий для увеличения видового разнообразия сообществ. Человек использует искусственные палы как фактор управления средой. Они играют большую роль в обновлении и оздоровлении лесов в районах умеренной зоны. Биогенные вещества как экологические факторы Биогенные соли и элементы, как это показал еще Ю. Либих в XIX в., являются лимитирующими факторами и ресурсами среды для организмов. Одни из элементов требуются организмам в относительно больших количествах, поэтому их называют макроэлементами, другие тоже жизненно необходимы организмам, но в очень малых, как говорят, следовых количествах их называют биогенными микроэлементами. Растения получают их, как правило, из почвы, реже из воды, а животные и человек с пищей. 35 Биогенные макроэлементы Первостепенное значение среди них имеют фосфор и азот в доступной для организмов форме. Фосфор это важнейший и необходимый элемент протоплазмы, а азот входит во все белковые молекулы. Основной источник азота атмосферный воздух, а фосфора лишь горные породы и отмершие организмы. Азот фиксируется большинством растительных и гетеротрофных организмов и включается в биологический круговорот. Фосфора в организме содержится в процентном отношении больше, чем в исходных природных источниках, и именно поэтому так велика его лимитирующая роль. Ю. Одум (1975) приводит пример с желтком яйца утки, в одном грамме которого фосфора содержится больше в 9.106 раз, чем в одном грамме воды реки Колумбии, из которой птица получает пищу. Недостаток фосфора по своему влиянию на продуктивность биоты стоит на втором месте после воды. Лишь немногим по своему значению этим элементам уступают калий, кальций, сера и магний. Калий входит в состав клеток, играет важнейшую роль в осмотических процессах, в работе нервной системы животных и человека, способствует росту растений и т. д. Кальций является составной частью раковин и костей животных, необходим растениям и т. д. Сера входит в состав некоторых аминокислот, коферментов, витаминов, обеспечивает хемосинтез и др. Магний необходимая часть молекул хлорофилла, входит в состав рибосом растений и животных и др. Биогенные микроэлементы Входят в состав ферментов и нередко бывают лимитирующими факторами. Для растений в первую очередь необходимы: железо, марганец, медь, цинк, бор, кремний, молибден, хлор, ванадий и кобальт. Если в этом наборе, например, будет нехватка Mn, Fe, Cl, Zn, и V, то не будет полноценным процесс фотосинтеза, а если не будет Mo, B, Co и Fe, то нарушится азотный обмен, и т. п. Эти же микроэлементы так же необходимы животным и человеку. Их недостаток (или избыток при загрязнении) вызывает болезни. Граница между макро- и микроэлементами довольно условна: например, натрия животным требуется во много раз больше, чем растениям, для которых натрий часто вносят в список микроэлементов. 2.2. ЭДАФИЧЕСКИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ В ЖИЗНИ РАСТЕНИЙ И ПОЧВЕННОЙ БИОТЫ Эдафические (от греч. edaphos почва) факторы почвенные условия произрастания растений. Делятся на: химические реакция почвы, солевой режим почвы, элементарный химический состав почвы, обменная способность и состав обменных катионов; физические водный, воздушный и тепловой режимы, плотность и мощность почвы, ее гранулометрический состав, структура и др.; биологические растительные и животные организмы, населяющие почву. Из них важнейшими экологическими факторами являются влажность, температура, структура и пористость, реакция почвенной среды, засоленность. Состав и структура почв Почва особое естественно-историческое образование, возникшее в результате изменения поверхностного слоя литосферы совместным воздействием воды, воздуха и живых организмов. Порода, из которой образовалась почва, называется материнской. Исходные минералы и структура породы разрушаются, создаются новые минералы и другая структура, обеспечивающие накопление разложившейся органики. В результате формируется почва геологическое тело, отличающееся от всех похожих на нее глинистых и песчаных образований тем, что обладает плодородием: дает жизнь растениям, пищу животным и человеку. 36 Плодородие почвы ее способность удовлетворять потребность растений в питательных веществах, воздухе, биотической и физико-химической среде, включая тепловой режим, и на этой основе обеспечивать урожай сельскохозяйственных культур, а также биогенную продуктивность диких форм растительности. Различают искусственное и естественное плодородие. Искусственное плодородие результат агрономического воздействия на почву, а естественное плодородие, или просто почвенное плодородие, обусловлено естественными экологическими факторами почвы. Почва состоит из твердой, жидкой и газообразной компонент и содержит живые макро- и микроорганизмы (растительные и животные). Твердая компонента преобладает в почве и представлена минеральной и органической частями. Больше всего минералов первичных, оставшихся от материнской породы, меньше вторичных, образовавшихся в результате разложения первичных это глинистые минералы коллоидных размеров, а также минералы-соли: карбонаты, сульфаты, галоиды и другие, выпадающие в осадок из почвенных вод. Процентное содержание в почве способных легко растворяться в воде минераловсолей характеризует ее степень засоления. Органическая часть представлена гумусом сложным органическим веществом, образовавшимся в результате физико-химического разложения отмершей органики. Гумус играет ключевую роль в плодородии почвы благодаря питательным веществам, которые он содержит, в том числе и биогенные элементы. Содержание гумуса в почвах колеблется от десятых долей процента до 2022%. Самые богатые гумусом почвы черноземы, они же и самые плодородные. Почвенная биота представлена фауной и флорой. Фауна: дождевые черви, мокрицы, земляные клещи, нематоды и др., перераспределяют гумус и биогенные элементы, повышая ее плодородие. Огромную роль играют дождевые черви, вес которых может превышать вес пасущегося скота (их до пяти миллионов особей на гектар черноземной пашни). Они, по мнению Ч. Дарвина, пропускают через свой кишечник за несколько лет весь пахотный слой. Флора это грибы, бактерии, водоросли и др., перерабатывают органику до исходных неорганических составляющих (деструкторы). Жидкая компонента почв, вода, может быть свободной, связанной, капиллярной и парообразной. Свободная вода перемещается по порам под действием силы тяжести, связанная адсорбируется поверхностью частиц и образует на них пленку, капиллярная удерживается в тонких порах под действием менисковых сил, а парообразная находится в той части пор, которая свободна от воды. Наиболее доступной для корневой системы растений является свободная и капиллярная форма воды, труднодоступной связанная (пленочная) вода, а парообразная влага большой роли не играет. Отношение массы всей воды в почве к массе ее твердой компоненты, обычно выраженное в процентах, именуют влажностью почвы. Всю жидкую компоненту почв называют почвенным раствором. Он может содержать нитраты, бикарбонаты, фосфаты, сульфаты и другие соли, а также водорастворимые органические кислоты, их соли, сахара, но преимущественно в свободной и капиллярной воде, в связанной воде вещества труднорастворимы. Концентрация раствора зависит от влажности почвы. Состав и концентрация почвенного раствора определяют реакцию среды, показателем которой является величина рН. Наиболее благоприятной для растений и почвенных животных является нейтральная среда (рН 7). Структура и пористость определяют доступность для растений и животных питательных веществ. Частицы почв, связанные между собой силами молекулярной природы, образуют структуру почвы. Между ними образуются пустоты, называемые порами. Пористость это доля объема пор в объеме почвы, которая может достигать 50% и более. Строение почв в вертикальном разрезе Почвообразование происходит сверху вниз, с постепенным затуханием интенсивности процесса. В умеренной зоне он затухает на глубинах 1,52,0 м. Этой величиной и определяется мощность (толщина) почв в умеренной зоне. Но изменяется не только интенсивность, но и характер 37 почвообразовательного процесса, что и отражается в почвенном профиле (рис 2.8), в нем выделяются три горизонта: перегнойно-аккумулятивный (А), вмывания (В) и материнская порода (С). Рис. 2.8. Обобщенный почвенный профиль На рис. 2.8 приведено более детальное подразделение горизонта «А», который определяет плодородие почв. Мощность его от нескольких до десятков сантиметров, в нем аккумулированы, в основном в гумусовом горизонте А1, питательные вещества для корневой системы растений и почвенная биота, но уже в горизонте А2 происходит выщелачивание и вымывание солей, органических коллоидов и т. п., которые переносятся, вмываются, в горизонт В иллювиальный. Здесь органические вещества перерабатываются редуцентами в минеральные формы и происходит накопление карбонатов, гипса, глинистых минералов и др. Этот горизонт постепенно переходит в материнскую породу (С). Важнейшие экологические факторы почв Эти факторы можно разделить на физические и химические. К физическим относятся влажность, температура, структура и пористость. Влажность, а точнее доступная влажность, для растений зависит от сосущей силы корневой системы растений и от физического состояния самой воды. Практически недоступна часть пленочной воды, прочно связанная с поверхностью частицы. Легко доступна свободная вода, но она довольно быстро уходит в глубокие горизонты и, прежде всего, из крупных пор быстро движущаяся вода, а затем из мелких медленно движущаяся вода, связанная и капиллярная влага удерживается в почве длительное время. Иными словами, доступность влаги зависит от водоудерживающей способности почв. Сила удерживающей способности тем выше, чем почва глинистее и суше. При очень низкой влажности остается только недоступная для растений прочно связанная вода и растение погибает, а гигрофильные животные (дождевые черви и др.) перебираются в более влажные глубокие горизонты и там впадают в «спячку» до выпадения дождей, однако многие членистоногие приспособлены к активной жизни даже при предельной сухости почвы. Температура почвы зависит от внешней температуры, но, благодаря низкой теплопроводности 38 почвы, температурный режим довольно стабилен и уже на глубине 0,3 м флуктуации температуры менее 2 С (Новиков, 1979), что важно для почвенных животных нет необходимости перемещаться вверх-вниз в поисках более комфортной температуры. Суточные колебания ощутимы до глубины один метр. Летом температура почвы ниже, а зимой выше, чем воздуха. Структура и пористость почвы обеспечивают их хорошую аэрацию. В ней активно перемещаются черви, особенно в глинистой, суглинистой и песчаной почвах, увеличивая пористость. В плотных почвах затрудняется аэрация и кислород может стать лимитирующим фактором, однако большинство почвенных организмов способны жить и в плотных глинистых почвах. Почвенные горизонты также являются средой жизни млекопитающих, например, грызунов. Они живут в норах, глубина которых может даже несколько превышать мощность почвенного профиля. Важнейшими экологическими факторами являются и химические, такие, как реакция среды и засоленность. Реакция среды очень важный фактор для многих животных и растений. В сухом климате преобладают нейтральные и щелочные почвы, во влажных районах кислые. Многие злаки дают лучший урожай на нейтральных и слабощелочных почвах (ячмень, пшеница), каковыми обычно являются черноземы. Засоленными называют почвы с избыточным содержанием водорастворимых солей (хлоридов, сульфатов, карбонатов). Они возникают вследствие вторичного засоления почв при испарении грунтовых вод, уровень которых поднялся до почвенных горизонтов. Среди засоленных почв выделяют солончаки и солонцы, в последних преобладают карбонаты натрия (содовое засоление). Почвы эти щелочные рН, соответственно, равен восьми и девяти. Флора и фауна засоленных почв весьма специфичны. Растения здесь весьма устойчивы не только к концентрации, но и к составу солей, но разные растения приспособлены по-разному. Солеустойчивые растения называют галофитами. Один из галофитов так и называется солерос и может выдерживать концентрацию солей свыше 20%. В то же время, дождевые черви даже при невысокой степени засоления длительный срок выдержать его не могут. Засоление почв приводит к падению урожайности сельхозкультур. Экологические индикаторы Организмы, по которым можно определить тот тип физической среды, где он рос и развивался, являются индикаторами среды. Например, таковыми могут быть галофиты. Адаптируясь к засолению, они приобретают определенные морфологические признаки, по которым можно определить, что данная почва засолена, и даже примерную степень засоления. Это касается не только галофитов, но и жизненных форм растений относительно влаги (гидрофиты, ксерофиты и т. д.), по которым можно оценить влияние этих условий на пастбищный потенциал. Широко известно применение геоботанических методов для поисков полезных ископаемых по растениям-индикаторам, которые способны накапливать в себе химические элементы ископаемого и т. п. По организмам-индикаторам можно судить, например, о загрязнении среды: исчезновение лишайников на стволах деревьев свидетельствует об увеличении содержания сернистого газа в воздухе; качественный и количественный составы фитопланктона могут свидетельствовать о степени загрязнения водной среды и т. д. 2.3. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ В земных условиях на организмы, в том числе и на человека, действуют естественные геофизические поля такие, как магнитное, гравитационное, температурное, электромагнитное и радиоактивное. Свойства геофизических полей литосферы оказывает влияние на состояние биоты (включая человека), отражает геофизическую экологическую литосферы (Трофимов, Зилинг, 2002) 39 Геофизические ритмы на Земле обусловлены ритмикой Вселенной и связаны с вращением Земли вокруг своей оси, обращением ее вокруг Солнца и с взаимодействием с Луной и планетами Солнечной системы. Воздействие геофизических ритмов на живые организмы происходило на протяжении всей истории существования биоты, т. е. они являются первичными периодическими экологическими факторами. Адаптации к таким факторам организмов, как мы показали выше (гл. 1, параграф 1.5), весьма совершенны, что и привело к тому, что «жизненные процессы в биоте оказались целиком подчиненными этим ритмам» (Трофимов, Зилинг, 2002). Временной спектр физиологических биоритмов биоты и человека, возникающих под воздействием геофизических полей, достаточно широк от периодов в единицы миллисекунд до многих лет. Они наблюдаются как на доорганизменных, так и на организменном, биологических уровнях жизни. Известно прямое воздействие магнитного поля Земли на эволюцию животных и человека. Например, сопоставление размеров их скелетов с вариациями магнитного поля с периодом 8000, 600, 60, 22 и 11 лет показало, что размеры скелета животных и человека увеличиваются в периоды уменьшения интенсивности магнитного поля в 8000-летнем цикле. Во всяком случае, точно установлены два периода акселерации (увеличения скелета): с VI тысячелетия до н. э. до середины IV тысячелетия до н. э., и с середины I тысячелетия н. э. по настоящее время. С 60- и 22-летним циклами связаны изменения роста человека, последний из которых представляет собой «полный магнитный цикл» цикл смены магнитной полярности Солнца (Трофимов, Зилинг, 2002). Известно, что организмы тоже создают вокруг себя геофизические поля. Магнитное поле организмов взаимодействует с внешним геомагнитным полем, однако оно крайне мало по сравнению с геомагнитным полем, поэтому незначительные изменения последнего приводят к резким колебаниям первого. Установлено, что уменьшение действующего магнитного поля на четыре пять порядков приводит к гибели клеток. Видимо, в этом причина катастрофического вымирания многих видов организмов, установленная палеонтологами в геологической истории Земли в период инверсии магнитных полюсов. Земля обладает сильным гравитационным полем, которое способно удерживать на ее поверхности атмосферу, гидросферу, обеспечивает большой круговорот воды и движение ледовых масс и, одновременно, обеспечивает существование жизни на нашей планете. «Гравитационное воздействие становится потенциально значимым уже для тканевых клеток и микроорганизмов, размеры которых превышают 10 мкм» (Трофимов, Зилинг, 2002). Однако для таких животных, как насекомые, гравитационное поле не играет существенной роли они способны выдерживать стократные перегрузки, чего нельзя сказать о крупных животных и человеке. В настоящее время уже хорошо известно о влиянии изменений гравитации на организм благодаря космическим полетам, при испытаниях на специальных центрифугах. При значительном увеличении силы тяжести уменьшается двигательная активность, снижается количество выводимой из организма жидкости, содержание азота и калия, и, в то же время, увеличивается количество потребляемой пищи и энергии, возрастает содержание в организме воды, натрия, кальция и фосфора. При изменении знака гравитационного поля все изменения в организме происходят в обратном порядке. Видимо, такие же процессы, но в меньших масштабах, происходят в организмах человека и животных при изменении силы гравитации в случае перемещения их по меридиану или при подъеме в высокогорье. Более того, возможно, что у людей и животных, проживающих постоянно в разных по гравитации районах, наблюдаются различия, при всех прочих равных условиях, в содержании выше указанных химических компонентов. Влияние температуры на организмы рассмотрено подробно выше, здесь же мы хотим подчеркнуть значение для жизни на Земле изменений температурного поля Земли в целом. На земной поверхности, на протяжении всего геологического времени существования биосферы, средняя температура поддерживалась в пределах от 0 до 40 С. Можно указанные цифры считать пределами толерантности биоты Земли (хотя, как считают ученые, температурные границы жизни некоторых микроорганизмов простираются от 200 до 100 С). Тем не менее, даже понижение существующей 40 сейчас средней температуры на поверхности Земли на 34 С или ее повышение на 33,5 С может привести к явлениям, с которыми современная цивилизация и не в силах справиться: в первом случае с оледенением и резким сокращением количества свободной воды, во втором с затоплением огромных пространств и сокращением места проживания биоты, которая приспособлена к «сухопутной» жизни. О природных электромагнитных полях, обусловленных солнечной радиацией (свет), оказывающих прямое экологическое воздействие на организмы, нами рассказано выше. Но для нас интересна также экологическая роль электростатического поля, которое в значительной части генерируется литосферой и проявляется в приземной части атмосферы. Это поле существенно влияет на содержание положительных и отрицательных ионов воздуха (аэроионов), которые оказывают на организмы физиологическое воздействие. При оптимальных дозах отрицательных аэроионов (ионов кислорода воздуха) обычен положительный эффект, например, увеличивается прорастание семян растений, их рост и количество биомассы. Экспериментально установлено, в том числе и при проведении опытов на животных, что отрицательные аэроионы благоприятствуют усилению жизнедеятельности организма в своем оптимуме, однако в переизбытке могут вызвать заметное угнетение происходящих в организме физико-химических процессов. Положительные аэроионы обычно оказывают негативное влияние на организм, а при переизбытке могут нанести ему и определенный ущерб (Трофимов, Зилинг, 2002). Естественное радиоактивное поле Земли, или поле ионизирующего излучения, наблюдается на поверхности и в приповерхностной части литосферы. Естественный радиационный фон образуется за счет излучения радионуклидов, входящих в состав горных пород. Более 40% дозы естественного облучения человека обеспечено радиоактивными газами радоном-222 и радоном-220 (тороном). Однако в настоящее время интенсивность ионизирующего излучения значительно усилилась в результате использования человеком атомной энергии, в том числе и в военных целях. Выпавшие в результате испытаний ядерного оружия радиоактивные осадки были восприняты литосферой, и радионуклиды этих осадков стали, таким образом, источником дополнительного излучения. В разных частях поверхности Земли естественный фон может различаться в несколько раз, но варьирует в пределах от 2 до 20 мЗв. Именно при этом диапазоне радиационного фона существовало и развивалось все живое на Земле. Радиационное излучение выше указанного уровня может рассматриваться как мутагенный фактор. В зоне действия мощных источников облучения, как правило техногенных, не в состоянии выжить ни одно животное или растение. 2.4. РЕСУРСЫ ЖИВЫХ СУЩЕСТВ КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ «Ресурсы живых существ это по преимуществу вещества, из которых состоят их тела, энергия, вовлекаемая в процессы их жизнедеятельности, а также места, где протекают те или иные фазы их жизненных циклов» (Бигон и др., 1989). Зеленое растение создается из неорганических молекул и ионов вода, углекислый газ, кислород, биогенные вещества и солнечной радиации в результате фотосинтеза. Неорганические компоненты здесь можно рассматривать как пищевой ресурс, а свет как ресурс энергетический. Сами растения являются пищевым ресурсом для травоядных животных, травоядные ресурс для хищников, те и другие пищевой ресурс для паразитов, а после гибели для деструктуров. Перераспределение вещества и энергии между консументами происходит при конкурентной борьбе за пищевые ресурсы, что вынуждает, например, животных охранять свои места охоты. Такие места, а также территории, где организмы размножаются, проходят стадии своего развития по типу метаморфоза и т. п., относят к ресурсам среды для определенного вида организмов, популяций и биоценозов. Классификация ресурсов Ресурсы живых существ можно разделить на незаменимые и взаимозаменяемые. Незаменимые 41 ресурсы это когда один не в состоянии заменить другой, который, в свою очередь, становится жестким лимитирующим фактором. Ресурсы могут выступать лимитирующим фактором, поскольку никто не отменял закона толерантности при использовании компонентов среды как ресурсов. Здесь в полной мере, в особенности относительно высших растений, действует закон независимости факторов В. Р. Вильямса, причем, каждый из ресурсов (CO2, H2O, K, S, P, N и др.) добывается независимо от других и, зачастую, своим особым способом. При высокой ресурсной обеспеченности незаменимые ресурсы вызывают явление ингибирования они становятся токсичными, превращаясь в лимитирующие факторы, выходящие за верхний предел толерантности к ним организмов. Например, в результате загрязнения почв создается избыток калия, кадмия и т. п. для растений, при вырубке леса избыток света для тенелюбивых растений и др. Взаимозаменяемые ресурсы это когда любой из двух ресурсов можно заменить другим, при этом они могут быть и различного качества, т. е. взаимозаменяемость это еще не значит равноданность. Они могут быть взаимодополняющими и антагонистическими. У плотоядных животных практически любую поедаемую ими пищу, т. е. добычу, можно заменить другой в том же объеме: одну косулю несколькими зайцами, зайца десятками мелких грызунов и т. п. Но взаимозаменяемые ресурсы могут быть взаимодополняющими, если при совместном потреблении обоих ресурсов в совокупности их требуется меньше, чем при раздельном потреблении. Например, чтобы получить одни и те же калории при питании, можно съесть отдельно определенный объем риса, или, тоже отдельно, определенный объем бобов. Но если их употреблять совместно, то совмещенный объем съеденного риса и бобов будет меньше при тех же калориях. Однако может быть и наоборот: при совместном потреблении ресурсов для поддержания жизни организмов обоих ресурсов расходуется больше, чем при раздельном потреблении. Такие ресурсы называются антагонистическими. Такое бывает, если, например, один ресурс содержит одно токсичное соединение, а второй другое, то поедание обоих ресурсов неблагоприятнее сказывается на росте организмов, чем если бы они питались одним из ресурсов. Экологическое значение незаменимых ресурсов В результате морфологических и физиологических адаптаций возникает некое соответствие между организмом и средой, но оно еще не гарантирует выживание организма в этой среде, если он не сможет найти свое место в сложной цепи биологических взаимодействий как на внутривидовом, так и на межвидовом уровнях. Первое испытание это конкуренция на внутривидовом уровне за ресурсы. Единственным ресурсом энергии для зеленых растений является свет. Лучистая солнечная энергия это единственный из ресурсов, который действует в одном направлении, а остальные (вода, углекислый газ, биогенные вещества) используются многократно, вовлекаемые в биологический круговорот веществ. Важнейшее значение для популяций растений имеет ее распределение, где первейшую роль играет листовой полог леса или посевов полей сельхозкультур, состоящий из ярусов свето- и тенелюбивых растений. Количество солнечной энергии, которое используется растением на фотосинтез, должно быть пропорционально освещенной площади листьев. А эта площадь величина переменная, зависящая от формы и расположения листьев, а также высоты солнца над горизонтом и интенсивности солнечного излучения. Но даже при благоприятных условиях, при ярком солнечном освещении, интенсивность фотосинтеза может не достигать максимума (Бигон и др., 1989). Максимальные же значения эффективного использования лучистой энергии у растений составляют 34,5% у морских микроскопических водорослей, 13% в тропических лесах, 0,61,2% в лесах умеренного пояса и 0,6% в посевах сельхозкультур. На таких значениях эффективности использования световых ресурсов и держится вся энергетика экосистемы. Диоксид углерода так же незаменимый ресурс в фотосинтезе, но проблем с его недостатком не 42 возникает. Более того, избыток CO2 может интенсифицировать фотосинтез даже при некоторой недостаточной освещенности, например, в нижних ярусах густого леса, где его содержание несколько повышенное. Вода это не только компонент фотосинтеза, но и незаменимая составляющая клеточной протоплазмы. Для подавляющего большинства растений основной источник воды почва. Во многих случаях вода становится лимитирующим фактором из-за ограниченных ее количеств в почве, но она может быть и лимитирующей при максимальном водонасыщении почвы. Большинство растений гибнет при подтоплении как вследствие отсутствия аэрации корневой системы, так и вследствие «отравления» сероводородом, выделенным анаэробными бактериями. Однако ряд высших растений с корневой системой в виде трубчатых корней, способны жить в этих почвах, так как по этой трубчатой системе осуществляется доступ воздуха к корневой системе. Минеральные ресурсы это извлекаемые растением из почвы биогенные микро- и макроэлементы. Без них рост растений, т. е. образование органических молекул, невозможен. Минеральные ресурсы «добываются» корневой системой растений, их доступность неразрывно связана с доступностью воды, а наличие и количественный состав зависят от содержания биогенных веществ в почве. Кислород в наземных сообществах не является пока лимитирующим ресурсом, но растворимость в воде у него значительно меньше, чем у углекислого газа, поэтому в водной среде кислород является лимитирующим ресурсом. Для всех существ, кроме анаэробов, кислород незаменимый ресурс. Гидробионты, чтобы выжить в условиях лимитирующего действия кислорода, должны либо постоянно поддерживать ток воды через жабры (рыбы), либо иметь очень большую поверхность тела (ракообразные), либо обладать способностью к медленному дыханию (личинки некоторых насекомых), либо возвращаться на поверхность, чтобы сделать вдох (киты, дельфины и др.). Экологическое значение пищевых ресурсов Пищевые ресурсы это сами организмы. Автотрофные (фото- и хемосинтезирующие) организмы становятся ресурсами для гетеротрофов, принимая участие в пищевой цепи, где каждый предшествующий потребитель превращается в пищевой ресурс для следующего потребителя. Питательная ценность растений и животных различна. Важнейшее отличие растительной пищи в том, что растительные клетки окружены стенками, состоящими из целлюлозы, лигнина и других веществ, представляющих собой волокна, неусвояемые многими животными консументами. Но наличие этих стенок основная причина высокого содержания углерода в растениях потенциального источника больших количеств энергии. Эта энергия доступна лишь животным, обладающими целлюлазами, способными расщеплять целлюлозу и лигнин: некоторые бактерии, многие грибы, улитки и др. Травоядным животным, для того чтобы переварить растительную пищу, необходимо ее тщательно пережевывать (жвачные животные), а птицы перетирают ее в своем мускулистом желудке. Плотоядным же вообще жевать ничего не нужно, так как в мясе жертвы все компоненты, необходимые им для жизни, содержатся в готовом к усвоению виде, поэтому этот корм можно и целиком заглотнуть. В пищеварительном тракте травоядных животных, рубце, поселяются микроорганизмы, обладающие способностью расщеплять целлюлозу и помогать им переварить растительный корм. Кроме того, при разложении растений многие микробы извлекают из них питательные вещества (азот и др.), а уже микробную клетку животному легче усвоить. По этой же причине, животныедетритофаги поедают растительный детрит, обильно заселенный микроорганизмами. Различные ткани и органы растений отличаются по своей питательной ценности. Поэтому мелкие фитофаги (насекомые и др.) специализируются на поедании мелких частей растения, обычно это семена, вегетативные почки и листья. 43 В отличие от растений состав тела различных фитофагов достаточно однообразен и ничем не отличается от такового плотоядных, т. е. мясо гусеницы, трески, земляных червей, креветок и оленя, по содержанию белков, углеводов, жиров, воды и минеральных солей в одном грамме ничем не отличается. Особой сложности в усвоении готовой пищи у плотоядных нет, но их больше заботит, как добывать пищу. Ограждение пищевых ресурсов Потребителю (хищнику) необходимо отыскать, изловить, умертвить и съесть добычу. Но это сделать нелегко, так как пищевые ресурсы нередко ограждены от потребителя. Любой организм стремится оградить себя от своего потребителя. Эти «средства защиты» есть и у растений и у животных. Они подразделяются на физические, химические, морфологические и поведенческие. С другой стороны, эти средства оказывают воздействие и на организмы-потребители наиболее приспособленные «пожиратели» выживают в большем количестве, разрабатывая все более изощренные средства нападения, а «пожираемые» разрабатывают все более новые и новые средства защиты. В результате возникает эволюционное давление одного организма на другой, и эволюция каждого частично зависит от эволюции другого. Такие явления называют сопряженной эволюцией, или коэволюцией. Сопряженной эволюции между растениями не бывает, так как они «питаются» одинаковыми атомами, не может ее быть и между деструктурами и мертвой органикой, а вот от внешних врагов у растений хорошо развита механическая защита колючки, шипы, скорлупа ореха и др. Наиболее уязвимы семена растений, когда они находятся на материнском растении, но если они рассыплются сохранность резко увеличивается. Этот способ сохранности семян широко используется в дикой природе. Однако это противоречит требованиям человека к сельхозкультурам, поэтому человек путем селекции отобрал те злаки, которые способны удерживать семена, поэтому культурные злаки для семеноядных птиц просто находка. Распространена механическая защита и среди животных: иглы у ежа, гребни и шипы у мелких беспозвоночных коловраток, дафний, раковина у моллюска. Кроме физической защиты организмы способны создавать и химическую защиту в виде ядовитых веществ, которые предохраняют их от поедания. Эти вещества у растений являются побочным продуктом метаболизма и могут действовать как токсиканты (синильная кислота и др.), или просто препятствовать пищеварению, или только отпугивать животных, особенно насекомых. Прибегают к химической защите и некоторые животные. Хорошо известно отпугивающее действие «чернильного облака», выбрасываемого в водную среду некоторыми головоногими моллюсками каракатицами, осьминогами. Химические средства в ряде случаев могут не только защитить растения, а даже сделать его более привлекательным для фитофагов. Многие насекомые-фитофаги специализируются на растениях одного или нескольких видов тех, чью химическую защиту они преодолели. Это очень важный шаг в коэволюции растений и фитофагов возникновение устойчивости к химическим средствам защиты растений. Такие процессы наблюдаются и при искусственной химической защите растений от «вредных» насекомых, которая достаточно быстро теряет свою эффективность (известна адаптированность их к ДДТ и т. п.). Для животных наиболее характерны различного рода морфологические виды защиты. Они базируются на различного рода «обманах» (криптицизм, мимикрия и т. п.). Достаточно разнообразна у них поведенческая защита: прячутся в норы, «прикидываются» мертвыми, прячутся в раковины, панцири, сворачиваются в клубок, «угрожающе» себя ведут и т. д. Но самая обычная поведенческая реакция животного это бегство от хищника, которое приносит и наибольший успех жертве. Пространство как ресурс Растения и животные конкурируют в занимаемом ими пространстве прежде всего за ресурсы, а 44 не за некую площадь, где они могут размножаться. Пространство может стать и лимитирующим ресурсом, если при избытке пищи оно не сможет вместить в свои геометрические размеры все организмы, которые могли бы успешно жить в этом пространстве за счет избытка его ресурсов. Например, скальная поверхность может быть настолько плотно заселена мидиями, что другим моллюскам, потенциально способным еще прокормиться на этой площади, места уже не осталось. Ряд животных стремится к «захвату» определенной территории, где они смогут обеспечить себя пищей, и таким образом она становится ресурсом. Кроме того, потенциальными ресурсами для животных являются гнездовые участки и убежища. Таким образом, пищевой ресурс «любой потребленный компонент среды, который может быть «отнят» одним организмом у другого» (Гиляров, 1990). Это способно вызвать внутривидовую конкуренцию. Регулируются данные явления уже на популяционном уровне и изучаются в популяционной экологии. Контрольные вопросы 1. Как влияет температура на жизнь животных и растений? 2. Какое значение имеет свет для жизни на Земле? 3. Как отражаются погодные условия на растениях и животных? Биоклиматический закон Гопкинса. 4. Какие важнейшие экологические группы растений и животных выделяют в зависимости от способа адаптации их к влаге? 5. Какие вы знаете основные экологические факторы водной среды? Дайте им характеристику. 6. В чем заключается влияние на организмы физических и химических факторов воздушной среды? 7. Биологические макро- и микроэлементы как экологические факторы. 8. Что понимают под эдафическими факторами? Дайте характеристику экологическим факторам почв. 9. Какое экологическое воздействие на организмы оказывают геофизические поля? 10. Что такое ресурсы живых существ и как они классифицируются? 11. В чем экологическое значение различных видов ресурсов живых существ? 45 ГЛАВА 3. ПОПУЛЯЦИОННАЯ ЭКОЛОГИЯ ВСТУПЛЕНИЕ «Популяция любая, способная к самовоспроизведению совокупность особей одного вида, более или менее изолированная в пространстве и времени от других аналогичных совокупностей одного и того же вида» (Гиляров, 1990). Популяция именно та «ячейка» биоты, которая является основой ее существования: в ней происходит самовоспроизводство живого вещества, она обеспечивает выживание вида, благодаря наследственности адаптационных качеств, она дает начало новым популяциям и процессам видообразования, т. е. является элементарной единицей эволюционного процесса, тогда как вид есть его качественный этап. Известно, что важнейшими являются количественные характеристики, которые позволяют решить большинство проблем качественного характера. Выделяют две группы количественных показателей статические и динамические. 3.1. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПОПУЛЯЦИЙ Статические показатели популяций Статические показатели характеризуют состояние популяции на данный момент времени. К статическим показателям популяций относятся их численность, плотность и показатели структуры. Численность это поголовье животных или количество растений, например, деревьев, в пределах некоторой пространственной единицы ареала, бассейна реки, акватории моря, области, района и т. д. Плотность число особей, приходящихся на единицу площади, например, плотность населения количество человек, приходящееся на один квадратный километр, или для гидробионтов это количество особей на единицу объема, на литр или кубометр. Показатели структуры: половой соотношение полов, размерный соотношение количества особей разных размеров, возрастной соотношение количества особей различного возраста в популяции. Численность тех или иных животных определяется различными методами. Например, подсчетом с самолета или вертолета при облетах территории. Численность гидробионтов определяют путем отлавливания их сетями (рыбы), для микроскопических (фитопланктон, зоопланктон) применяют специальные мерные емкости. Численность человеческой популяции определяется путем переписи населения всего государства, его административных подразделений и т. п. Знание численности и структуры населения (этнической, профессиональной, возрастной, половой и т. п.) имеет большое экономическое и экологическое значение. Плотность популяции определяется без учета неравномерности распределения особей на площади или в объеме, т. е. получаем среднюю плотность животных, деревьев, людского населения на единицу площади или микроскопических водорослей в единице объема. Каждое животное соблюдает баланс энергии, затрачиваемой на охрану территории, добывание пищи и получаемой от съедания пищи. При уменьшении корма животные расширяют свою территорию (а человек, например, «поднимает целину»). Такое поведение животных называют территориальным поведением. Чем крупнее животное, тем большая ему нужна площадь на добычу пищи, поэтому, чем больше размеры тела особи, тем меньше плотность популяции. Территориальные границы могут быть весьма подвижны. Достаточно надежно определяются границы у немигрирующих животных (грызуны, моллюски), которые создают так называемые локальные популяции. У подвижных границы трудно определить, например, у лося, а тем более у птиц, которые легко мигрируют и расселяются на больших территориях. Ограничивают возможность расселения как биотические, так и абиотические факторы. Из биотических факторов среды такими 46 являются, прежде всего, пресс хищников и конкурентов, нехватка пищевых ресурсов, а из абиотических толерантность к факторам среды. Пресс хищников особенно силен, когда в коэволюции «хищник жертва» равновесие смещается в сторону хищника и ареал жертвы сужается. Конкурентная борьба тесно связана с нехваткой пищевых ресурсов, она может быть и прямой борьбой, например, хищников за пространство как ресурс, но чаще всего это просто вытеснение вида, которому на данной территории пищи не хватает, видом, которому этого же количества пищи вполне достаточно. Это уже межвидовая конкуренция. Важнейшим условием существования популяции или ее экотипа является их толерантность к факторам (условиям) среды. Толерантность у разных особей и к разным частям спектра разная, поэтому толерантность популяции значительно шире, чем у отдельных особей (см. рис. 2.1). Но из этого правила могут быть исключения, зависящие от того, какую стадию жизненного цикла проходит особь: толерантность наибольшая у покоящейся особи. Итак, свойства популяции уже значительно отличаются от свойств отдельных особей, что особенно наглядно проявляется в динамике популяций. Динамические показатели популяций Показатели характеризуют процессы, протекающие в популяции за какой-то промежуток (интервал) времени. Основными динамическими показателями (характеристиками) популяций являются рождаемость, смертность и скорость роста популяций. Рождаемость, или скорость рождаемости это число особей, рождающихся в популяции за единицу времени. При рассмотрении экосистем пользуются другим динамическим показателем продукцией суммой прироста массы всех особей (независимо от того, сколько они прожили) из множества популяций биогенного сообщества за определенный промежуток времени. Смертность, или скорость смертности это число особей, погибших в популяции в единицу времени. Но убыль или прибыль организмов в популяции зависит не только от рождаемости и смертности, но и от скорости их иммиграции и эмиграции. Скорость иммиграции и эмиграции это есть соответственно количество особей, прибывших и убывших в популяции в единицу времени. Но убыль и прибыль организмов в популяции зависят не только от рождаемости и смертности, но и от скорости их иммиграции и эмиграции, т. е. от количества особей прибывших и убывших в популяции в единицу времени. Увеличение численности, прибыль, зависит от количества отрожденных (рожденных за какой-то период времени) и иммигрировавших особей, а уменьшение, убыль численности от гибели (смертности в широком смысле) и эмиграции особей. Явления иммиграции и эмиграции на численность влияют несущественно, поэтому при расчетах ими можно пренебречь. Рождаемость, или скорость рождаемости, выражают отношением где Nn число особей (яиц, семян и т. п.), родившихся (отложенных, продуцированных и т. д.) за некоторый промежуток времени t. Но для сравнения рождаемости в различных популяциях пользуются величиной удельной рождаемости: отношением скорости рождаемости к исходной численности (N): За бесконечно малый промежуток времени (t 0) мы получим мгновенную удельную рождаемость, которую обозначают латинской буквой «b». Эта величина имеет размерность «единица времени 1» и зависит от интенсивности размножения особей: для бактерий час, для 47 фитопланктона сутки, для насекомых неделя или месяц, для крупных млекопитающих год. Смертность величина, обратная рождаемости, но измеряется в тех же величинах и вычисляется по аналогичной формуле. Если принять, что Nm число погибших особей (независимо от причины) за время t, то удельная смертность а при t 0 имеем мгновенную удельную смертность, которую обозначают буквой «d». Величины рождаемости и смертности по определению могут иметь только положительное значение, либо равное нулю. Скорость изменения численности популяции, т. е. ее чистое увеличение и уменьшение, можно представить и как изменение N за t, а при t 0 можно ее определить как мгновенную скорость изменения численности (r), которая может быть рассчитана как: r b d. Анализ уравнения показывает, что если b d, то r 0 и популяция находится в стационарном состоянии, если же b d, то r может быть величиной положительной (b d), и мы имеем численный рост популяции, или отрицательной (b d), что говорит о снижении численности на данном отрезке времени. Эта формула важна как раз для определения смертности, которую трудно измерить непосредственно, а определить r достаточно просто непосредственными наблюдениями, тогда d b r. 3.2. ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ ВИДА Продолжительность жизни вида зависит от условий (факторов) жизни. Различают физиологическую и максимальную продолжительность жизни. Физиологическая продолжительность жизни это такая продолжительность жизни, которая определяется только физиологическими возможностями организма. Теоретически она возможна, если допустить, что в период всей жизни организма на него не оказывают влияние лимитирующие факторы. Максимальная продолжительность жизни это такая продолжительность жизни, до которой может дожить лишь малая доля особей в реальных условиях среды. Эта величина варьирует в широких пределах: от нескольких минут у бактерий до нескольких тысячелетий у древесных растений (секвойя). Обычно, чем крупнее растение или животное, тем больше их продолжительность жизни, хотя бывают и исключения (летучие мыши доживают до 30 лет, это дольше, например, жизни медведя). Смертность и рождаемость у организмов весьма существенно изменяются с возрастом. Только увязав смертность и рождаемость с возрастной структурой популяции, можно вскрыть механизмы общей смертности и определиться со структурой продолжительности жизни. Такую информацию можно получить с помощью таблиц выживания. Таблицы выживания, или еще их называют «демографическими таблицами», содержат сведения о характере распределения смертности по возрастам. Демография изучает размещение, численность, состав и динамику народонаселения, а эти таблицы она использует для определения ожидаемой продолжительности жизни человека. Таблицы выживания бывают динамические и статические. Динамические таблицы выживания строятся по данным прямых наблюдений за жизнью когорты, т. е. большой группы особей, отрожденных в популяции за короткий промежуток времени относительно общей продолжительности жизни изучаемых организмов, и регистрации возраста наступления смерти всех членов данной когорты. Такие таблицы требуют длительного наблюдения, измеряемого (для разных животных) месяцами или годами. Но практически невозможно такую 48 таблицу сделать для долго живущих животных, для человека для этого может потребоваться более 100 лет. Поэтому используют другие таблицы статические. Статические таблицы выживания составляются по данным наблюдений за относительно короткий промежуток времени за смертностью в отдельных возрастных группах. Зная численность этих групп (сосуществующих когорт), можно расчитать смертность, специфическую для каждого возраста (табл. 3.1, Гиляров, 1990). Таблица 3.1 Статическая демографическая таблица женского населения Канады на 1980 г. (по Krebs, 1985) Такие таблицы представляют собой как бы временной срез через популяцию. Если в популяции не происходит существенных изменений в смертности и рождаемости, то статические и динамические таблицы совпадают. Данные таблиц выживания позволяют построить кривые выживания, или их еще называют кривыми дожития, так как отражают зависимость количества доживших до определенного возраста особей от продолжительности этого интервала с самого момента отрождения организмов. Выделяют три типа основных кривых выживания (рис. 3.1), к которым в той или иной мере приближаются все известные кривые. 49 Рис. 3.1. Различные типы кривых выживания (Deevey, 1950) Кривая I типа, когда на протяжении всей жизни смертность ничтожно мала, резко возрастая в конце нее, характерна для насекомых, которые обычно гибнут после кладки яиц (ее и называют «кривой дрозофилы»), к ней приближаются кривые выживания человека в развитых странах, а также некоторых крупных млекопитающих. Кривая III типа это случаи массовой гибели особей в начальный период жизни. Гидробионты и некоторые другие организмы, незаботящиеся о потомстве, выживают за счет огромного числа личинок, икринок, семян и т. п. Моллюски, прежде чем закрепиться на дне, проходят личиночную стадию в планктоне, где личинки гибнут в огромных количествах, поэтому кривую III называют еще «кривой устрицы». Кривая II типа (диагональная) характерна для видов, у которых смертность остается примерно постоянной в течение всей жизни. Такое распределение смертности не столь уж редкое явление среди организмов. Встречаются они среди рыб, пресмыкающихся, птиц, многолетних травянистых растений. Реальные кривые выживания часто представляют собой некоторую комбинацию указанных выше «основных типов». Например, у крупных млекопитающих, да и у людей, живущих в отсталых странах, кривая I вначале круто падает за счет повышенной смертности сразу после рождения. 3.3. ДИНАМИКА ЧИСЛЕННОСТИ ПОПУЛЯЦИЙ Еще в ХVII в. заметили, что численность популяций растет по закону геометрической прогрессии, а уже в конце ХVIII в. Томас Мальтус (17661834) выдвинул свою известную теорию о росте народонаселения в геометрической прогрессии. Эта закономерность роста выражается кривой, изображенной на рис. 3.2, a. 50 Рис. 3.2. Экспоненциальный рост гипотетической популяции одноклеточного организма, делящегося каждые 4 часа: а арифметическая шкала; б логарифмическая шкала На современном математическом языке эта кривая (рис. 3.2) отражает экспоненциальный рост численности организмов и описывается уравнением: Nt Noert, где Nt численность популяции в момент времени t; No численность популяции в начальный момент времени t0; e основание натурального логарифма (2,7182); r показатель, характеризующий темп размножения особей в данной популяции. Экспоненциальный рост возможен только тогда, когда r имеет постоянное численное значение, так как скорость роста популяции пропорциональна самой численности: Если численность отложить в логарифмическом масштабе, то кривая приобретает вид прямой линии (рис. 3.2, б). Таким образом, экспоненциальный рост численности популяции это рост численности ее особей в неизменяющихся условиях. Условия, сохраняющиеся длительное время постоянными, невозможны в природе. Если бы это было не так, то, например, обычные бактерии могли бы дать такую массу органического вещества, которая могла бы покрыть весь земной шар слоем толщиной в два метра за два часа. Однако такого в природе не происходит, так как существует множество ограничивающих факторов. Но есть примеры, когда при замедлении роста, т. е. при снижении r, экспоненциальный рост сохраняется, может он возникать и на коротких отрезках жизни популяций. Чтобы иметь полную картину динамики численности популяции, а также рассчитать скорость ее роста, необходимо знать величину так называемой чистой скорости воспроизводства (Rо), которая показывает, во сколько раз увеличивается численность популяции за одно поколение, за время его жизни T, 51 где Nт численность нового поколения; No численность особей предшествующего поколения; Ro чистая скорость воспроизводства, показывающая также, сколько вновь родившихся особей приходится на одну особь поколения родителей. Если Ro 1, то популяция стационарная, численность ее сохраняется постоянной. Скорость роста популяции обратно пропорциональна длительности поколения отсюда ясно, что чем раньше происходит размножение организмов, тем больше скорость роста популяции. Это в равной степени относится и к популяции человека, отсюда важность значения этой закономерности в демографической политике любого государства. Воздействие экологических факторов на скорость роста популяции может довести численность популяции до стабильной (r 0), либо ее уменьшить, т. е. экспоненциальный рост замедляется или останавливается полностью и J-образная кривая экспоненциального роста как бы останавливается и выполаживается, превращаясь в так называемую S-образную кривую (рис. 3.3, а). В природе так и происходит: экспоненциальный рост наблюдается какое-то достаточно короткое время, после чего ограничивающие факторы его стабилизируют и дальнейшее развитие популяции идет по логистической модели, что и описывается S-образной, или логистической кривой роста популяции. Рис. 3.3. Логистическая модель роста популяции: а кривая роста численности (N); б зависимость удельной скорости роста (r) от численности (N); в зависимость рождаемости (b) и смертности (d) от численности; K предельная численность В основе логистической модели (см. рис. 3.3) лежит простое допущение, что скорость роста популяции (rа) линейно снижается по мере роста численности вплоть до нуля при некой численности K. Итак, при начальной численности Nо (близкой к нулю) скорость роста имеет максимальное значение rmax, а при N K, rа 0. В результате решения уравнения логистической кривой получаем зависимость: где Nt численность популяции в момент времени t; e основание натурального логарифма; 52 a постоянная интегрирования. Величину K называют еще емкостью среды в отношении особей данной популяции. Здесь речь идет о биологической емкости среды степени способности природного или природноантропогенного окружения обеспечивать нормальную жизнедеятельность (дыхание, питание, размножение, отдых и т. п.) определенному числу организмов и их сообществ без заметного нарушения самого окружения (Реймерс, 1990). Однако плато на S-образной кривой далеко не всегда бывает гладким, потому что колебания численности происходят постоянно, что отражается в виде колебаний кривой вокруг асимптоты «K» (рис. 3.4), эти колебания называются флуктуациями численности, которые могут быть сезонными и годовыми. Первые обусловлены абиотическими факторами, вторые плюс к этому, еще и внутренними, биотическими. Колебания, вызванные биотическими факторами, называют осцилляциями (рис. 3.5), они отличаются высокой регуляцией и их даже называют циклами. Многие факторы, природные и антропогенные, вызывающие флуктуации, в значительной мере можно учесть, введя в формулу поправочные коэффициенты. Такие формулы позволяют прогнозировать реальный рост популяции животных и подобные процессы в демографии людского населения. Рис. 3.4. Преобразование J-образной кривой роста численности в S-образную кривую при ограничивающем воздействии лимитирующих факторов (по Т. Миллеру, 1993) 53 Рис. 3.5. Изменение численности рыси и зайца классический пример цикличности колебаний популяций В настоящее время уже достаточно моделей, подтверждающих логистическую модель, как на чисто природных объектах, так и на природно-антропогенных. Например, А. М. Гиляров (1990) приводит сведения о размножении северных оленей, интродуцированных (вселенных в местообитания, где они раньше не проживали) на острова Берингова моря. С небольших когорт, состоящих из нескольких десятков особей, в течение ряда лет рост численности по экспоненциальному закону приводил к возникновению популяции оленей, состоящей из нескольких тысяч голов. Затем наблюдалось резкое падение численности тоже до нескольких десятков голов за короткое время, один три года. Причина полный расход пищевых ресурсов, которыми обладали эти острова. 3.4. РЕГУЛЯЦИЯ ПЛОТНОСТИ ПОПУЛЯЦИИ Логистическая модель роста популяции предполагает наличие некой равновесной (асимптотической) численности и плотности. В этом случае рождаемость и смертность должны быть равны, т. е., если b d, то должны действовать факторы, изменяющие либо рождаемость, либо смертность. Факторы, регулирующие плотность популяции, делятся на зависимые и независимые от плотности. Зависимые изменяются с изменением плотности, а независимые остаются постоянными при ее изменении. Практически, первые это биотические, а вторые абиотические факторы. Влияние независимых от плотности факторов хорошо прослеживается на сезонных колебаниях численности планктонных водорослей. Например, в системе Манычских водохранилищ (Северное Предкавказье) диатомовые водоросли дают два «пика» численности весной (конец апреля) и осенью (конец сентября), а в остальное время действуют (точнее, преобладают) зависимые от плотности факторы конкурентная борьба на выживание с бурно развивающимися летом зелеными и синезелеными водорослями. Непосредственно от плотности может зависеть и смертность в популяции. Такое явление происходит с семенами растений, когда зависимая от плотности (т. е. регулирующая) смертность происходит на стадии проростков. Смертность, зависимая от плотности, может регулировать численность и высокоразвитых организмов: довольно часто гибнут птенцы птиц, если их слишком много, а ресурсов не хватает. 54 Помимо выше описанной регуляции существует еще саморегуляция, при которой на численности популяции сказывается изменение качества особей. Различают саморегуляцию фенотипическую и генотипическую. Фенотипы совокупность всех признаков и свойств организма, сформировавшихся в процессе онтогенеза на основе данного генотипа. Дело в том, что при большой скученности (плотности) образуются разные фенотипы за счет того, что в организмах происходят физиологические изменения в результате так называемой стресс-реакции (дистресс), вызываемой неестественно большим скоплением особей. Например, у самок грызунов происходит воспаление надпочечников, что ведет к сокращению рождаемости. Кроме того, нехватка пищи заставляет особей мигрировать на новые участки, что приводит к большой их гибели в пути и на новых участках, в новых условиях, т. е. повышается смертность и сокращается численность. Генотипические причины саморегуляции плотности популяций связаны с наличием в ней по крайней мере двух разных генотипов, возникших в результате рекомбинации генов. При этом возникают особи, способные размножаться с более раннего возраста и более часто, и особи, с поздней половозрелостью и значительно меньшей плодовитостью. Первый генотип менее устойчив к стрессу при высокой плотности и доминирует в период подъема пика численности, а второй более устойчив к высокой скученности и доминирует в период депрессии. Примером, подтверждающим воздействие генотических изменений, являются известные с незапамятных времен насекомые саранча. У саранчевых имеются две разнокачественные группы одиночная и стадная формы, которые морфологически существенно отличаются. В благоприятные по влажности года преобладают особи одиночной формы и популяция находится в равновесии. В результате же нескольких подряд засушливых лет создаются условия для развития особей стадной фазы. У стадной формы вылупившиеся из яиц молодые особи (нимфы) быстро двигаются, лучше обеспечены водой и запасами питательных веществ и, хотя у них плодовитость меньше, за счет лучшей выживаемости, более быстрого развития и ярко выраженной способности собираться в группы, процесс размножения идет очень быстро и с нарастающей скоростью. Образовавшиеся огромные стаи переносятся ветром на громадные расстояния. Так, мигрирующие очень быстро стаи красной саранчи в центральной Африке могут занимать площадь, в 1500 раз превышающую области обитания одиночной фазы. Если во время миграции будет найдено место, благоприятное по условиям для размножения, размер стаи может увеличиться до невероятных значений. Так, стая красной саранчи, совершившая налет в Сомали в 1957 г., состояла из 1,6 1010 особей, и масса ее достигала 50 тыс. т. Если учесть, что за день одна саранча съедает столько, сколько весит сама, то нетрудно представить колоссальные размеры бедствий. Именно такие нашествия насекомых рассматривались как одно из стихийных бедствий на Международном экологическом конгрессе в Йокогаме (1994). Циклические колебания можно также объяснить саморегуляцией. Климатические ритмы и связанные с ними изменения в пищевых ресурсах заставляют популяцию вырабатывать какие-то механизмы внутренней регуляции. Так, у мышевидных грызунов Евразии и Северной Америки один период колебаний, состоящий из стадии подъема численности, пика, спада и депрессии, длится три четыре года, иногда пять шесть лет, а у зайцев около десяти лет. Одним из известных гипотез такой цикличности является так называемая трофическая (пищевая), утверждающая, что эти циклы зависят не столько от количества пищи, сколько от ее качества (см. рис. 3.5). Таким образом, саморегуляция обеспечивается механизмами торможения роста численности. Таких гипотетических механизмов три: 1) при возрастании плотности и повышенной частоте контактов между особями возникает стрессовое состояние, уменьшающее рождаемость и повышающее смертность; 2) при возрастании плотности усиливается миграция в новые местообитания, краевые зоны, где условия менее благоприятны и повышается смертность; 3) при возрастании плотности происходят изменения генетического состава популяции замена быстро 55 размножающихся на медленно размножающихся особей. Это свидетельствует о важнейшей роли популяции как в генетико-эволюционном смысле, так и в чисто экологическом, как элементарной единицы эволюционного процесса, и об исключительной важности событий, протекающих на этом уровне биологической организации, для понимания как существующих опасностей, так и «возможностей управления процессами, определяющими само существование видов в биосфере» (Яблоков, Остроумов, 1983). 3.5. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СТРАТЕГИИ ВЫЖИВАНИЯ Экологическая стратегия выживания стремление организмов к выживанию. Экологических стратегий выживания множество. Например, еще в 30-х гг. А. Г. Роменский (1938) среди растений, различал три основных типа стратегий выживания, направленных на повышение вероятности выжить и оставить после себя потомство: виоленты, патиенты и эксплеренты. Виоленты (силовики) подавляют всех конкурентов, например, деревья, образующие коренные леса. Патиенты виды, способные выжить в неблагоприятных условиях («тенелюбивые», «солелюбивые» и т. п.). Эксплеренты (наполняющие) виды, способные быстро появляться там, где нарушены коренные сообщества на вырубках и гарях (осины), на отмелях и т. д. Все многообразие экологических стратегий заключено между двумя типами эволюционного отбора, которые обозначаются константами логистического уравнения: r-стратегия и K-стратегия. Тип r-стратегия, или r-отбор, определяется отбором, направленным прежде всего на повышение скорости роста популяции и, следовательно, таких качеств, как высокая плодовитость, ранняя половозрелость, короткий жизненный цикл, способность быстро распространяться на новые местообитания и пережить неблагоприятное время в покоящейся стадии. K-стратегия, или K-отбор, направлена на повышение выживаемости в условиях уже стабилизировавшейся численности. Это отбор на конкурентоспособность, повышение защищенности от хищников и паразитов, повышение вероятности выживаемости каждого потомка, на развитие более совершенных внутривидовых механизмов численности (Гиляров, 1990). Очевидно, что каждый организм испытывает на себе комбинацию r- и K-отбора, но r-отбор преобладает на ранней стадии развития популяции, а K-отбор уже характерен для стабилизированных систем. Но, все-таки, оставляемые отбором особи должны обладать достаточно высокой плодовитостью и достаточно развитой способностью выжить при наличии конкуренции и пресса хищников. Конкуренция r- и К-отбора позволяет выделять разные типы стратегий и ранжировать виды по величинам r и K в любой группе организмов. Контрольные вопросы 1. Каково значение популяций в биоте Земли? 2. Что отражают статические показатели популяций? 3. Что понимается под территориальным поведением животных? 4. Почему толерантность популяции к факторам среды значительно шире, чем у особи, и каково экологическое значение этого явления? 5. Что отражают динамические показатели популяции? Основные динамические показатели популяций. 6. Что понимается под продолжительностью жизни вида? «Демографические таблицы» и кривые выживания. 7. Каковы экологические причины, вызывающие рост численности популяции по экспоненте и по логистической кривой? 8. В чем суть экологических стратегий выживания? 56 9. Как классифицируются экологические факторы, регулирующие плотность популяции? 10. Какие экологические причины вызывают саморегуляцию плотности популяции? 11. В чем причины таких стихийных экологических бедствий, как нашествие саранчи? 57 ГЛАВА 4. ЭКОЛОГИЯ БИОТИЧЕСКИХ СООБЩЕСТВ ВСТУПЛЕНИЕ Когда речь идет об экосистемах, под биотическим сообществом понимается биоценоз, поскольку сообщество представляет собой население биотопа, а биотоп это место жизни биоценоза. Биоценоз это надорганизменная система, состоящая из трех компонентов: растительности, животных и микроорганизмов. В такой системе отдельные виды, популяции и группы видов могут заменяться соответственно другими без особого ущерба для содружества, а сама система существует за счет уравновешивания сил антагонизма между видами. Стабильность сообщества определяется количественной регуляцией численности одних видов другими, а его размеры зависят от внешних причин от величины территории с однородными абиотическими свойствами, т. е. биотопа. Функционируя в непрерывном единстве, биоценоз и биотоп образуют биогеоценоз, или экосистему. Границы биоценоза совпадают с границами биотопа и, следовательно, с границами экосистемы. Биотическое сообщество (биоценоз) это более высокий уровень организации, чем популяция, которая является его составной частью. Биоценоз обладает сложной внутренней структурой. Выделяют видовую и пространственную структуры биоценозов. 4.1. ВИДОВАЯ СТРУКТУРА СООБЩЕСТВ И СПОСОБЫ ЕЕ ОЦЕНКИ Для существования сообщества важна не только величина численности организмов, но еще важнее видовое разнообразие, которое является основой биологического разнообразия в живой природе. Согласно конвенции о биологическом разнообразии Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992) под биоразнообразием понимается разнообразие в рамках вида, между видами и разнообразие экосистем. Разнообразие в рамках вида является основой стабильности в развитии популяций, разнообразие между видами и, следовательно, популяциями основа существования биоценоза, как основной части экосистемы. Видовая структура биоценоза характеризуется видовым разнообразием и количественным соотношением видов, зависящих от ряда факторов. Главными лимитирующими факторами являются температура, влажность и недостаток пищевых ресурсов. Поэтому биоценозы (сообщества) экосистем высоких широт, пустынь и высокогорий наиболее бедны видами. Здесь могут выжить организмы, жизненные формы которых приспособлены к таким условиям. Богатые видами биоценозы тропические леса, с разнообразным животным миром и где трудно найти даже два рядом стоящих дерева одного вида. Обычно бедными видами природные биоценозы считаются, если они содержат десятки и сотни видов растений и животных, богатые это несколько тысяч или десятки тысяч видов. Богатство видового состава биоценозов определяется либо относительным, либо абсолютным числом видов и зависит от возраста сообщества: молодые, только начинающие развиваться бедны видами по сравнению со зрелыми или климаксными сообществами. Видовое разнообразие это число видов в данном сообществе или регионе, т. е. имеет более конкретное содержание и является одной из важнейших как качественных, так и количественных характеристик устойчивости экосистемы. Оно взаимосвязано с разнообразием условий среды обитания. Чем больше организмов найдут в данном биотопе подходящих для себя условий по экологическим требованиям, тем больше видов в нем поселится. Видовое разнообразие в данном местообитании называют -разнообразием, а сумму всех видов, обитающих во всех местообитаниях в пределах данного региона, -разнообразием. Показателями для количественной оценки видового разнообразия, индексами разнообразия, обычно служит 58 соотношение между числом видов и значениями их численности, биомассы, продуктивности и т. п., или отношение числа видов к единице площади. Важным показателем является количественное соотношение числа видов между собой. Одно дело, когда среди ста особей содержится пять видов в соотношении 96 : 1 : 1 : 1 : 1, и другое, если они соотносятся как 20 : 20 : 20 : 20 : 20. Последнее соотношение явно предпочтительнее, так как первая группировка значительно однообразнее. Наиболее благоприятные условия для существования множества видов характерны для переходных зон между сообществами, которые называют экотонами, а тенденцию к увеличению здесь видового разнообразия называют краевым эффектом. Экотон богат видами прежде всего потому, что они попадают сюда из всех приграничных сообществ, но кроме того, он может содержать и свои характерные виды, которых нет в этих сообществах. Ярким примером этого является лесная «опушка», на которой пышнее и богаче растительность, гнездится значительно больше птиц, больше насекомых и т. п., чем в глубине леса. Виды, которые преобладают по численности, называют доминантными, или просто доминантами данного сообщества. Но и среди них есть такие, без которых другие виды существовать не могут. Их называют эдификаторами (с лат. строители). Они определяют микросреду (микроклимат) всего сообщества и их удаление грозит полным разрушением биоценоза. Как правило, эдификаторами выступают растения ель, сосна, кедр, ковыль и лишь изредка животные (сурки). «Второстепенные» виды малочисленные и даже редкие тоже очень важны в сообществе. Их преобладание это гарантия устойчивого развития сообществ. В наиболее богатых биоценозах практически все виды малочисленны, но чем беднее видовой состав, тем больше видов доминантов. При определенных условиях могут быть «вспышки» численности отдельных доминантов. Для оценки разнообразия используют и другие показатели, которые значительно дополняют вышеуказанные. Обилие вида число особей данного вида на единицу площади или объема занимаемого ими пространства. Степень доминирования отношение (обычно в процентах) числа особей данного вида к общему числу всех особей рассматриваемой группировки. Однако оценка биоразнообразия биоценоза в целом по численности видов будет неправильной, если мы не учтем размеры организмов. Ведь в биоценоз входят и бактерии, и макроорганизмы. Поэтому необходимо организмы объединять в группировки, близкие по размерам. Здесь можно подходить и с точки зрения систематики (птицы, насекомые, сложноцветные и т. п.), экологоморфологической (деревья, травы, мхи и т. п.), либо вообще по размерам (микрофауна, мезофауна и макрофауна почв или илов и т. п.). Кроме того, следует иметь в виду, что внутри биоценоза существуют еще и особые структурные объединения консорции. Консорция группа разнородных организмов, поселяющихся на теле или в теле особи какого-либо определенного вида центрального члена консорции, способного создавать вокруг себя определенную микросреду. Другие члены консорции могут создавать более мелкие консорции и т. д., т. е. можно выделить консорции первого, второго, третьего и т. д. порядка. Отсюда ясно, что биоценоз это система связанных между собой консорций. Чаще всего центральными членами консорций являются растения. Возникают консорции на основе тесных разноплановых взаимоотношений между видами (рис. 4.1). 59 Рис. 4.1. Схема консорции дерева (липа): 1 микориза на корнях липы; 2 личинка хруща потребителя корней; 3 жук-короед; 4 гусеница шелкопряда, питающаяся листвой дерева; 5 жук-листоед; 6 пчела опылитель цветков; 7 гнездо дрозда, свитое на ветви липы; 8 олени потребители веточного корма; 9 лесная мышь потребитель семян липы (по Дювиньо и Тангу, 1968, с изменениями Воронова, 1987) 4.2. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА СООБЩЕСТВ Виды в биоценозе образуют и определенную пространственную стуктуру, особенно в его растительной части фитоценозе. Прежде всего четко определяется вертикальное ярусное строение в лесах умеренного и тропического поясов. Например, в широколиственных лесах можно выделить пять шесть ярусов: первый деревья первой величины (дуб, липа, вяз); второй деревья второй величины (рябина, яблоня, груша, черемуха и др.); третий подлесок кустарниковый (крушина, жимолость, бересклет и др.); четвертый состоит из высоких трав, а пятый и шестой, соответственно, из более низких трав (рис. 4.2). Ярусность выражена в травянистых сообществах, но не столь явно, как в лесах. Ярусность позволяет растениям более полно использовать световой поток в верхних ярусах светолюбивые, в нижних теневыносливые и в самом низу улавливают остаток света тенелюбивые растения. 60 Рис. 4.2 Ярусы лесного биогеоценоза (по И. Н. Пономаревой, 1978) В вертикальном направлении под воздействием растительности изменяется микросреда, включая не только выравненность и повышение температуры, но и изменение газового состава за счет изменения направления потоков углекислого газа ночью и днем, выделения сернистых газов хемосинтезирующими бактериями и т. п. Изменения микросреды способствуют образованию и определенной ярусности фауны от насекомых, птиц и до млекопитающих (см. рис. 4.2). Помимо ярусности в пространственной структуре биоценоза наблюдается мозаичность изменение растительности и животного мира по горизонтали. Площадная мозаичность зависит от разнообразия видов, количественного их взаимоотношения, от изменчивости ландшафтных и почвенных условий. Мозаичность может возникнуть и искусственно в результате вырубки лесов человеком. На вырубках формируется новое сообщество. Видовая структура биоценозов, пространственное распределение видов в пределах биотопа, во многом определяется взаимоотношениями между видами, между популяциями. 4.3. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ НИША И ВЗАИМООТНОШЕНИЯ ОРГАНИЗМОВ В СООБЩЕСТВЕ Экологическая ниша место вида в природе, преимущественно в биоценозе, включающее как положение его в пространстве, так и функциональную его роль в сообществе, отношение к абиотическим условиям существования (Хрусталев, Матишов, 1996). Важно подчеркнуть, что эта ниша не просто физическое пространство, занимаемое организмом, но и его место в сообществе, определяемое его экологическими функциями. Ю. Одум (1975) образно представил экологическую нишу как занятие, «профессию» организма в той системе видов, к которой он принадлежит, а его местообитание это «адрес» вида. Знание экологической ниши позволяет ответить на вопросы, как, где и чем питается вид, чьей добычей он является, каким образом и где он отдыхает и размножается (Дажо, 1975). Модель экологической ниши, предложенная Г. Е. Хатчинсоном, довольно проста: достаточно на ортогональных проекциях отложить значения интенсивности различных факторов, а из точек пределов толерантности восстановить перпендикуляры, то ограниченное ими пространство и будет соответствовать экологической нише данного вида (рис. 4.3). Экологическая ниша это область комбинаций таких значений факторов среды, в пределах которой данный вид может существовать неограниченно долго. 61 Рис. 4.3. Модель экологической ниши по Г.Е. Хатчинсону. По осям отдельные факторы Например, для существования наземного растения достаточно определенного сочетания температуры и влажности, и в этом случае можно говорить о двумерной нише. Для морского животного уже необходимо кроме температуры еще как минимум два фактора соленость и концентрация кислорода тогда уже следует говорить о трехмерной нише (см. рис. 4.3) и т. д. На самом деле этих факторов множество и ниша многомерна. Экологическую нишу, определяемую только физиологическими особенностями организмов, называют фундаментальной, а ту, в пределах которой вид реально встречается в природе, реализованной. Реализованная ниша это та часть фундаментальной ниши, которую данный вид, популяция, в состоянии «отстоять» в конкурентной борьбе. Конкуренция, по Ю. Одуму (1875, 1986) отрицательные взаимодействия двух организмов, стремящихся к одному и тому же. Межвидовая конкуренция это любое взаимодействие между популяциями, которое вредно сказывается на их росте и выживании. Конкуренция проявляется в виде борьбы видов за экологические ниши. Классификация биотических взаимодействий популяций двух видов приведена в табл. 4.1. Таблица 4.1 Классификация биотических взаимодействий популяций двух видов (по Ю. Одуму, 1986) 62 В табл 4.1 «0» означает, что на популяцию не оказывается никакое влияние при взаимодействии видов; «» что она получает пользу от взаимодействия видов; «» что она испытывает отрицательное влияние от такого взаимодействия. Не существует двух различных видов, занимающих одинаковые экологические ниши, но есть близкородственные виды, часто настолько сходные, что им требуется по существу одна и та же ниша. В этом случае, когда ниши частично перекрываются, возникает особо жесткая конкуренция, но в конечном итоге нишу занимает один вид. Явление экологического разобщения близкородственных (или сходных по иным признакам) видов получило название принципа конкурентного исключения, или принципа Гаузе, в честь русского ученого, доказавшего его существование экспериментально в 1934 г. (рис. 4.4). Рис. 4.4. Динамика популяций инфузорий Paramecium aurelia (1) и Paramecium candatum (2), культивируемых при регулярном добавлении в среду одного и того же количества пищи: 63 а изолированные популяции каждого вида; б совместно культивируемые популяции (по Г. Ф. Гаузе, 1934) Г. Ф. Гаузе экспериментально исследовал конкуренцию двух видов инфузорий: Paramecium candatum и Paramecium aurelia. Их культивировали раздельно и вместе, используя строго дозированную бактериальную пищу. При раздельном культивировании их численность росла по обычной S-образной кривой, при совместном побеждали в конкурентной борьбе P. aurelia (см. рис. 4.4). Поражение P. candatum объясняется тем, что она плохо переносила накопление в среде продуктов метаболизма бактерий и размножалась медленнее. Но при смене пищи, например, при замене ее на дрожжи, побеждала уже P. candatum, так как в благоприятных для обоих видов условиях она имела преимущество за счет способности к более быстрому размножению и увеличению своей численности. Межвидовая конкуренция за ресурсы может касаться пространства, пищи, биогенных веществ и т. п. Именно уменьшение ресурсов приводит к ситуациям, когда мы имеем дело лишь с отрицательными взаимодействиями. Результатом межвидовой конкуренции может быть либо взаимное приспособление двух видов, либо популяция одного вида замещается популяцией другого вида, а первый вынужден переселиться на другое место или перейти на другую пищу. Если виды живут в разных местах, то говорят, что они занимают разные экологические ниши, если же они живут в одном месте, но потребляют разную пищу, то говорят об их несколько различающихся экологических нишах. Процесс разделения популяциями видов пространства и ресурсов называется дифференциацией экологических ниш (рис. 4.5). На рис. 4.2 также видна дифференциация ниш по ярусам леса. Рис. 4.5. Распределение копытных зверей по ярусам питания в африканской саванне (по де ла Фуэнте, 1972): 1 жираф; 2 антилопа геренук; 3 антилопа дик-дик; 4 носорог; 5 слон; 6 зебра; 7 гну; 8 газель Гранта; 9 антилопа бубал Главный результат дифференциации ниш снижение конкуренции. Например, тенелюбивые растения не конкурируют со светолюбивыми, снижается острота конкуренции за ресурсы, численность доминирующего вида, например, регулируется хищником, и т. п. Иными словами, есть множество обстоятельств, при которых разные виды-антагонисты могут сосуществовать. И, тем не менее, это отрицательные взаимодействия, поскольку взаимовлияние видов остается и не позволяет полностью раскрыть свои возможности каждому из них. Нейтрализм это такая форма биотических взаимоотношений, когда сожительство двух видов на одной территории не влечет за собой ни положительных, ни отрицательных последствий для них. В этом случае виды не связаны непосредственно друг с другом и даже не контактируют между собой. Например, белки и лоси, обезьяны и слоны и т. п. Отношения нейтрализма характерны для богатых видами сообществ. Аменсализм это такие биотические отношения, при которых происходит торможение роста 64 одного вида (аменсала) продуктами выделения другого. Эти отношения обычно относят к прямой конкуренции и называют антибиозом. Наиболее хорошо они изучены у растений, которые применяют различные ядовитые вещества в борьбе с конкурентами за ресурсы, и данное явление называют аллелопатия. Аменсализм весьма распространен в водной среде. Например, синезеленые водоросли, вызывая цветение воды, тем самым отравляют водную фауну, а иногда даже скот, который приходит на водопой. Такие «способности» проявляют и другие водоросли. Они выделяют пептиды, хинон, антибиотики и другие вещества, которые ядовиты даже в малых дозах. Называют эти яды эктокринными веществами. Хищничество и паразитизм: отношения хищник жертва и паразит хозяин являются результатом прямых пищевых связей, которые для одного из партнеров имеют отрицательные последствия, а для другого положительные. Все варианты пищевых экологических связей можно отнести к этим типам взаимодействия, в том числе и корову, поедающую траву. Любой гетеротрофный организм в сообществе существует за счет поедания другого гетеротрофа или автотрофа. Хищниками называют животных, питающихся другими животными, которых они ловят и умервщляют. Для хищников характерно охотничье поведение. Изобилие насекомых, их малые размеры и легкодоступность превращают деятельность плотоядных хищников, обычно птиц, в простое «собирательство» добычи, подобно тому, как собирают семена, зерна птицы, питающиеся ими. Насекомоядные хищники по способу овладения пищей приближаются к пастьбе травоядных животных. Некоторые птицы могут питаться и насекомыми, и семенами. Паразитизм это такая форма пищевой связи между видами, когда организм-потребитель (консумент) использует тело живого хозяина не только как источник пищи, но и как место своего обитания (постоянного или временного). Паразиты намного мельче своего хозяина. Паразитические отношения имеют насекомые-вредители и растения, кровососущие насекомые и животные и т. п. Насекомые-паразиты часто бывают разносчиками эпидемий: вши тифа, клещи энцефалита и др. В природе существуют системы, состоящие из одного вида и нескольких других видов, являющихся по отношению к нему паразитами. Это так называемые паразитарные комплексы, например для успешной борьбы с вредителями культурных растений, необходимо изучать: состав и плотность комплекса, закономерности его роста и т. п. Хищничество и паразитизм это пример взаимодействия двух популяций, отрицательно сказывающегося на росте и выживании одной из них (см. табл. 4.1, п. 5,6). Подобные популяции развиваются, т. е. эволюционируют, синхронно, и по мере длительности их взаимодействия, коэволюция может привести к снижению степени отрицательного взаимодействия или устранить его вообще, поскольку сильное подавление популяции жертвы или хозяина популяцией хищника или паразита может привести к уничтожению одной из них или обеих. 65 Рис. 4.6. Эволюция гомеостаза в системе «хозяин паразит» (хозяин комнатная муха Muska domestika (I), паразит оса Nasonia vitropennis (II) (по Ю. Одуму, 1975): а недавно объединенные популяции (впервые посажены вместе дикие особи); б популяции взяты из колоний, в которых оба вида сосуществовали на протяжении двух лет На рис. 4.6 приводится пример эволюции гомеостаза двух насекомых в системе «хозяин паразит», которые помещались в клетку, состоящую из 30 пластиковых камер, соединенных друг с другом трубочками, замедлявшими расселение паразита. На рис. 4.6, а видны резкие подъемы и спады плотности популяций, так как в этом случае дикие особи недавно посажены вместе. На рис. 4.6, б популяции взяты из колоний, в которых они просуществовали совместно в течение двух лет и здесь уже отмечается более стабильное равновесие, резкие спады отсутствуют, так как у хозяина появляется адаптивная устойчивость, о чем свидетельствует сильное снижение рождаемости у паразита. Итак, наиболее жесткая конкуренция проявляется тогда, когда контакт между популяциями установлен недавно, например, вследствие изменений, произошедших в экосистеме под влиянием деятельности человека. Именно поэтому, непродуманное вмешательство человека в структуру биоценоза нередко приводит к эпидемическим вспышкам. Таким образом, при длительном контакте паразитов и хищников с их жертвами, влияние на них весьма умеренно, нейтрально или даже благоприятно, а наиболее повреждающее действие оказывают новые паразиты и хищники. Отсюда вывод: «необходимо избегать создания новых отрицательных взаимодействий, а если они возникли, стараться по возможности сдерживать их» (Ю. Одум, 1975). К положительным видам взаимодействия Ю. Одум относит комменсализм, кооперацию и мутуализм (см. табл. 4.1). Многие экологи считают, что в стабильных экосистемах отрицательные и положительные взаимодействия должны находиться в равновесии. Комменсализм, кооперация и мутуализм можно рассматривать как стадии последовательного 66 совершенствования положительных взаимодействий в ходе эволюции. Комменсализм это наиболее простой тип положительных взаимодействий (см. табл. 4.1). Комменсалы организмы, которые поселяются в жилищах других организмов, не причиняя им зла и не принося вреда. Для тех животных, у которых они «квартируют», комменсалы безразличны. В океанах и морях в каждой раковине организмы, которые получают там укрытие, но они абсолютно безобидны для «владельца» этой раковины. Протокооперация это следующий шаг к более тесной интеграции, когда оба организма получают преимущества от объединения, хотя их сосуществование не обязательно для их выживания. Например, крабы и кишечнополостные: краб «сажает» себе на спину кишечнополостное, которое маскирует и защищает его (имеет стрекательные клетки), но в свою очередь, оно получает от краба кусочки пищи и использует его как транспортное средство. Мутуализм (симбиоз) следующий этап развития зависимости двух популяций друг от друга. Объединение происходит между весьма разными организмами и наиболее важные мутуалистические системы возникают между автотрофами и гетеротрофами. Примером может служить сотрудничество между бактериями, фиксирующими азот, и бобовыми растениями, симбиоз между копытными и бактериями, обитающими в их рубце, и др. Широко известным примером мутуализма, является симбиоз водоросли и гриба лишайники. Функциональная и морфологическая связь этих организмов настолько тесна, что лишайники практически составляют единый организм. Ю. Одум (1975), образно говоря, призывает к тому, чтобы «модель лишайника», прошедшая путь к гармоническому взаимодействию двух различных видов, через паразитизм водоросли, стала символичной для человека, который должен установить мутуалистические отношения с природой, поскольку он является гетеротрофом, зависящим от имеющихся ресурсов. В противном случае, «он, подобно «неразумному» и «неприспособленному» паразиту, может довести эксплуатацию своего «хозяина» до такой степени, что погубит себя». К сказанному о межвидовой борьбе в биоценозе, следует добавить, что в 90-х годах ХХ в. английские и канадские ученые пришли к выводу, что в лесах деревья и кустарники, наоборот, помогают друг другу благодаря действию законов всеобщей поддержки. Информация, которая обеспечивает такое взаимодействие, передается под землей благодаря грибку микориза, имеющихся на корнях всех растений. Из приведенной характеристики биоценозов ясно, что их устойчивость (гомеостаз) зависит прежде всего от изменений в структуре сообществ, от уменьшения видового разнообразия, от изменений в трофической цепи и, в известной мере, от дезорганизации регуляции биоценоза с помощью аллелохимических факторов и др. Контрольные вопросы 1. Что понимается под биоразнообразием природы? 2. Видовое разнообразие как основа биологического разнообразия в природе. 3. Что такое экотон и каковы причины краевого эффекта? 4. Какие существуют показатели оценки видового биоразнообразия биологических сообществ? 5. Как отражается биоразнообразие в пространственной структуре биоценоза? 6. Каково экологическое значение ярусности леса и травянистой растительности? 7. Что такое экологическая ниша? Понятие о реализованной и фундаментальной нише. 8. В чем суть принципа Гаузе? 9. В чем состоят отрицательные взаимодействия между видами? Коэволюция систем «хищник жертва» или «паразит хозяин». 10. В чем состоят положительные взаимодействия между видами? 11. Почему, по мнению Ю. Одума, человек должен установить мутуалистические отношения с природой? 67 ГЛАВА 5. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 5.1. КОНЦЕПЦИЯ, МАСШТАБЫ И ТРОФИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ЭКОСИСТЕМЫ «Любая единица (биосистема), включающая все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями, представляет собой экологическую систему, или экосистему» (Ю. Одум, 1986). Главным предметом исследования при экосистемном подходе в экологии, становятся процессы трансформации вещества и энергии между биотой и физической средой, т. е. возникающий биогеохимический круговорот веществ в экосистеме в целом (рис. 5.1). Это позволяет дать обобщенную интегрированную оценку результатов жизнедеятельности сразу многих отдельных организмов многих видов, так как по биогеохимическим функциям, т. е. по характеру осуществляемых в природе процессов превращения вещества и энергии, организмы более однообразны, чем по своим морфологическим признакам и строению. Например, все высшие растения потребляют одни и те же вещества, все они используют свет и, благодаря фотосинтезу, образуют близкие по составу органические вещества и выделяют кислород. Рис. 5.1. Схема переноса вещества (сплошная линия) и энергии (пунктирная линия) в природных экосистемах В настоящее время концепция экосистемы это одно из наиболее главных обобщений биологии играет весьма важную роль в экологии. Во многом этому способствовали два обстоятельства, на которые указывает Г. А. Новиков (1979): во-первых, экология как научная дисциплина созрела для такого рода обобщений и они стали жизненно необходимы, а во-вторых, сейчас как никогда остро встали вопросы охраны биосферы и теоретического обоснования природоохранных мероприятий, которые опираются прежде всего на концепцию биотических сообществ экосистем. Кроме того, как считает Г. А. Новиков, распространению идеи экосистемы способствовала гибкость самого понятия, так как к экосистемам можно относить биотические сообщества любого масштаба с их средой обитания от пруда до Мирового океана, и от пня в лесу до обширного лесного массива, например, тайги. В связи с этим выделяют: микроэкосистемы 68 (подушка лишайника и т. п.); мезоэкосистемы (пруд, озеро, степь и др.); макроэкосистемы (континент, океан) и наконец глобальная экосистема (биосфера Земли), или экосфера, интеграция всех экосистем мира. Типичным примером экосистемы может быть подушка лишайника на стволе дерева. Выше мы уже приводили пример классического мутуализма, к которому пришли грибы и водоросли через паразитизм последних. Продуценты здесь симбиотические водоросли, консументы различные мелкие членистоногие и др. Гифы грибов и большинство микроскопических животных выступают здесь и в роли редуцентов, живущих за счет тканей отмерших водорослей. Замкнутость круговорота в такой системе невелика: часть продуктов распада выносится за пределы лишайника дождевыми водами, часть животных мигрирует в другие местообитания. Границы этой экосистемы очерчены границами лишайника, но ее существование будет достаточно стабильным, если вынос будет компенсироваться поступлением вещества. Но есть экосистемы, в которых внутренний круговорот вещества вообще малоэффективен реки, склоны гор, здесь стабильность поддерживается только перетоком вещества извне. Многие системы достаточно автономны пруды, озера, океан, леса и др. Но даже биосфера Земли часть веществ отдает в космос и получает вещества из космоса. Таким образом, природные экосистемы это открытые системы: они должны получать и отдавать вещества и энергию. Запасы веществ, усвояемые организмами и, прежде всего, продуцентами, в природе небезграничны. Если бы эти вещества не использовались многократно, а точнее не были бы вовлечены в этот вечный круговорот, то жизнь на Земле была бы вообще невозможна. Такой «бесконечный» круговорот (см. рис. 5.1) биогенных компонентов возможен лишь при наличии функционально различных групп организмов, способных осуществлять и поддерживать поток веществ, извлекаемых ими из окружающей среды. Для поддержания круговорота веществ в экосистеме необходимы неорганические молекулы в усвояемой для продуцентов форме, консументы, питающиеся продуцентами и другими консументами, а также редуценты, восстанавливающие органические вещества снова до неорганических молекул для питания продуцентов (рис. 5.2). Рис. 5.2. Пищевая цепь в озере в сильно упрощенном виде: сплошные линии со стрелками направлены от пищи к консументам; пунктирные линии со стрелками отражают деятельность деструкторов (по П. Аресу) С точки зрения пищевых взаимодействий организмов трофическая структура экосистемы 69 делится на два яруса: 1) верхний автотрофный ярус, или «зеленый пояс», включающий фотосинтезирующие организмы, создающие сложные органические молекулы из неорганически простых соединений, и 2) нижний гетеротрофный ярус, или «коричневый пояс» почв и осадков, в котором преобладает разложение отмерших органических веществ снова до простых минеральных образований. Однако, чтобы разобраться в сложных биологических взаимодействиях в экосистеме, следует выделить ряд компонентов, об экологической роли которых мы уже говорили выше: 1) неорганические вещества (C, N, CO2, H2O, P, O и др.), участвующие в круговоротах; 2) органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и др.), связывающие биотическую и абиотическую части; 3) воздушную, водную и субстратную среду, включающую абиотические факторы; 4) продуцентов автотрофных организмов, в основном зеленых растений, способных производить пищу из простых неорганических веществ; 5) консументов, или фаготрофов (пожирателей), гетеротрофы, в основном, животные, питающиеся другими организмами или частицами органического вещества; 6) редуцентов, или сапротрофов (питающихся гнилью), гетеротрофных организмов, в основном бактерий и грибов, получающих энергию путем разложения отмершей или поглощения растворенной органики. Сапротрофы высвобождают неорганические элементы питания для продуцентов и, кроме того, являются пищей для консументов. 5.2. ПРОДУЦИРОВАНИЕ И РАЗЛОЖЕНИЕ В ПРИРОДЕ Фотосинтезирующие организмы, и лишь отчасти хемосинтезирующие, создают органические вещества на Земле продукцию в количестве 100 млрд т/г и примерно такое же количество веществ должно превращаться в результате дыхания растений в углекислый газ и воду. Однако этот баланс неточен, так как известно, что в прошлые геологические эпохи создавался избыток органического вещества, в особенности 300 млн лет тому назад, что выразилось в накоплении в осадочных породах угля. Человечество использует это энергетическое сырье. Этот избыток образовался вследствие того, что в соотношении O2/CO2 баланс сдвинулся в сторону CO2 и заметная часть продуцированного вещества, хотя и очень небольшая, не расходовалась на дыхание и не разлагалась, а фоссилизировалась (окаменевала) и сохранялась в осадках. Сдвижение баланса в сторону повышения содержания кислорода около 100 млн лет назад сделало возможным эволюцию и существование высших форм жизни. Без процессов дыхания и разложения, так же как и без фотосинтеза, жизнь на Земле была бы невозможна. Дыхание это процесс окисления, который еще в древности справедливо сравнивали с горением. Благодаря дыханию как бы «сгорает» накопленное при фотосинтезе органическое вещество. Итак дыхание процесс гетеротрофный, приблизительно уравновешивающий автотрофное накопление органического вещества. Различают аэробное, анаэробное дыхание и брожение. Аэробное дыхание процесс, обратный фотосинтезу, где окислитель, газообразный кислород, присоединяет водород. Анаэробное дыхание происходит обычно в бескислородной среде и в качестве окислителя служат другие неорганические вещества, например, сера. И, наконец, брожение такой анаэробный процесс, где окислителем становится само органическое вещество. Посредством процесса аэробного дыхания организмы получают энергию для поддержания жизнедеятельности и построения клеток. Бескислородное дыхание это основа жизнедеятельности сапрофагов (бактерии, дрожжи, плесневые грибы, простейшие). Аэробное дыхание превосходит и значительно анаэробное в скорости. Если поступление детрита (частичек отмершей органики) в почву или в донный осадок происходит в больших количествах, то бактерии, грибы, простейшие быстро расходуют кислород на его разложение, которое резко замедляется, но не останавливается вследствие «работы» организмов с анаэробным метаболизмом. Итак, в целом, можно утверждать, что происходит некоторое отставание гетеротрофного 70 разложения от продуцирования во времени. И, как было подчеркнуто выше, такое соотношение наблюдается на уровне биосферы. «Отставание гетеротрофной утилизации продуктов автотрофного метаболизма есть, следовательно, одно из важнейших свойств экосистемы» (Ю. Одум, 1975). Однако в результате деятельности человека это свойство находится под угрозой и прежде всего из-за непомерного потребления кислорода огромными двигателями и другими аппаратами, которое может привести к снижению продукции. Разложение детрита путем его физического размельчения и биологического воздействия и доведение его сапрофагами до образования гумуса, гумификация, идет относительно быстро. Однако последний этап минерализация гумуса процесс медленный и именно он обуславливает запаздывание разложения по сравнению с продуцированием. Кроме биотических факторов в разложении принимают участие и абиотические (пожары, которые можно считать «агентами разложения»). Но если бы мертвые организмы не разлагались бы гетеротрофными микроорганизмами и сапрофагами, для которых они служат пищей, все питательные вещества оказались бы в мертвых телах и никакая новая жизнь не могла бы возникать. 5.3. ГОМЕОСТАЗ ЭКОСИСТЕМЫ Гомеостаз способность биологических систем организма, популяции и экосистем противостоять изменениям и сохранять равновесие. Исходя из кибернетической природы экосистем гомеостатический механизм это обратная связь. Например, у пойкилотермных животных изменение температуры тела регулируется специальным центром в мозгу, куда постоянно поступает сигнал обратной связи, содержащий данные об отклонении от нормы, а от центра поступает сигнал, возвращающий температуру к норме. В механических системах аналогичный механизм называют сервомеханизмом, например, термостат управляет печью. Для управления экосистемами не требуется регуляция извне это саморегулирующаяся система. Саморегулирующий гомеостаз на экосистемном уровне обеспечен множеством управляющих механизмов на этом уровне. Один из них субсистема «хищник жертва» (рис. 5.3). Между условно выделенными кибернетическими блоками, управление осуществляется посредством положительных и отрицательных связей. Положительная обратная связь «усиливает отклонение», например, увеличивает чрезмерно популяцию жертвы. Отрицательная обратная связь «уменьшает отклонение», например, ограничивает рост популяции жертвы за счет увеличения численности популяции хищников. Эта кибернетическая схема (см. рис. 5.3, а) отлично иллюстрирует процесс коэволюции в системе «хищник жертва», так как в этой «связке» развиваются и взаимные адаптационные процессы (см. рис. 3.5). Если в эту систему не вмешиваются другие факторы (например, человек уничтожил хищника), то результат саморегуляции будет описываться гомеостатическим плато (см. рис. 5.3, б) областью отрицательных связей, а при нарушении системы начинают преобладать обратные положительные связи, что может привести к гибели системы. 71 Рис. 5.3. Элементы кибернетики (по Ю. Одуму, 1975, с изменениями): а взаимодействие положительной (+) и отрицательной () обратных связей в системе хищник жертва; б представление о гомеостатическом плато, в пределах которого поддерживается относительное постоянство вопреки условиям, вызывающим отклонения Наиболее устойчивы крупные экосистемы и самая стабильная из них биосфера, а наименее устойчивы молодые экосистемы. Это объясняется тем, что в больших экосистемах создается саморегулирующий гомеостаз за счет взаимодействия круговоротов веществ и потоков энергии (Ю. Одум, 1975). 5.4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТОКИ В ЭКОСИСТЕМЕ Энергетические потоки Вся жизнь на Земле существует за счет солнечной энергии. Свет единственный на Земле пищевой ресурс, энергия которого, в соединении с углекислым газом и водой, рождает процесс фотосинтеза. Фотосинтезирующие растения создают органическое вещество, которым питаются травоядные животные, ими питаются плотоядные и т. д., в конечном итоге, растения «кормят» весь остальной живой мир, т. е. солнечная энергия через растения как бы передается всем организмам. Энергия передается от организма к организму, создающих пищевую, или трофическую цепь: от автотрофов, продуцентов (создателей) к гетеротрофам, консументам (пожирателям) и так четыре шесть раз с одного трофического уровня на другой. Трофический уровень это место каждого звена в пищевой цепи. Первый трофический уровень это продуценты, все остальные консументы. Второй трофический уровень это растительноядные консументы; третий плотоядные консументы, питающиеся растительноядными формами; четвертый консументы, потребляющие других плотоядных и т. д. Следовательно, можно и консументов разделить по уровням: консументы первого, второго, третьего и т. д. порядков (рис. 5.4). 72 Рис. 5.4. Пищевые взаимосвязи организмов в биогеоценозе (по И. Н. Пономаревой, 1978) Четко распеределяются по уровням лишь консументы, специализирующиеся на определенном виде пищи. Однако есть виды, питающиеся мясом и растительной пищей (человек, медведь и др.), которые могут включаться в пищевые цепи на любом уровне. Пища, поглощаемая консументом, усваивается не полностью от 12 до 20% у некоторых растительноядных, до 75% и более у плотоядных. Энергетические затраты связаны прежде всего (рис. 5.5) с поддержанием метаболических процессов, которые называют тратой на дыхание, оцениваемых общим количеством CO2, выделенного организмом. Значительно меньшая часть идет на образование тканей и некоторого запаса питательных веществ, т. е. на рост. Остальная часть пищи выделяется в виде экскрементов. Кроме того, значительная часть энергии рассеивается в виде тепла при химических реакциях в организме и, особенно, при активной мышечной работе. В конечном итоге вся энергия, использованная на метаболизм, превращается в тепловую и рассеивается в окружающей среде. Таким образом, большая часть энергии при переходе с одного трофического уровня на другой, более высокий, теряется. Приблизительно потери составляют около 90%: на каждый следующий уровень передается не более 10% энергии от предыдущего уровня. Так, если калорийность продуцента 1000 Дж, то при попадании в тело фитофага остается 100 Дж, в теле хищника уже 10 Дж, а если этот хищник будет съеден другим, то на его долю останется лишь 1 Дж, т. е. 0,1% от калорийности растительной пищи. Наглядно схема распределения потоков энергии в сообществе показана на рис. 5.5. 73 Рис. 5.5. Схема потока энергии в сообществе (по М. Бигону и др., 1989) Однако такая строгая картина перехода энергии с уровня на уровень не совсем реальна, поскольку трофические цепи экосистем сложно переплетаются, образуя трофические сети. Но конечный итог: рассеивание и потеря энергии, которая, чтобы существовала жизнь, должна возобновляться. Нельзя забывать еще и мертвую органику, которой питается значительная часть гетеротрофов. Среди них есть и сапрофаги и сапрофиты (грибы), использующие энергию, заключенную в детрите. Поэтому различают два вида трофических цепей: цепи выедания, или пастбищные, которые начинаются с поедания фотосинтезирующих организмов, и детритные цепи разложения, которые начинаются с остатков отмерших растений, трупов и экскрементов животных. Таким образом, входя в экосистему, поток лучистой энергии разбивается на две части, распространяясь по двум видам трофических сетей, но источник энергии общий солнечный свет. Принцип биологического накопления В круговорот веществ в экосистеме часто добавляются вещества, попадающие сюда извне. Эти вещества концентрируются в трофических цепях и накапливаются в них, т. е. происходит их биологическое накопление. Это явление наглядно видно на примере концентрирования радионуклидов и пестицидов в трофических цепях. Наиболее известна способность к биологическому накоплению у ДДТ вещества, ранее широко применяемого для борьбы с вредными насекомыми и запрещенного к применению в настоящее время. Ю. Одум (1975) приводит пример того, как недоучет закономерностей биологического накопления, обусловленного экологическими процессами, привел к гибели птиц, питающихся гидробионтами, хотя опыляли комаров на болотах Лонг-Айленда (п-ов Флорида), давая концентрацию ДДТ значительно ниже дозы, смертельной для рыб и других животных. Он объясняет это тем, что ядовитые осадки адсорбировались на детрите, концентрировались в тканях редуцентов (детритофагов) и мелкой рыбы, а дальше в хищниках, таких, как рыбоядные птицы. Благодаря многократному поглощению с начала детритной цепи, яд накапливался в жировых отложениях рыб и 74 птиц. И даже если его доза ниже смертельной и птицы не погибали сами, то ДДТ препятствовал образованию яичной скорлупы: тонкая скорлупа лопается еще до того, как разовьется птенец. Такие явления могут привести к уничтожению целых популяций хищных птиц, например, скопы. Таким образом, принципы биологического накопления надо учитывать при любых поступлениях загрязнений в среду. 5.5. УРОВНИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ ЭКОСИСТЕМ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПИРАМИДЫ Продуктивность экологической системы это скорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, образуя органическое вещество, которое затем может быть использовано в качестве пищи. Уровни производства органического вещества Различают разные уровни продуцирования, на которых создается первичная и вторичная продукция. Органическая масса, создаваемая продуцентами в единицу времени, называется первичной продукцией, а прирост за единицу времени массы консументов вторичной продукцией. Первичная продукция подразделяется как бы на два уровня валовую и чистую продукцию. Валовая первичная продукция это общая масса валового органического вещества, создаваемая растением в единицу времени при данной скорости фотосинтеза, включая и траты на дыхание. Растения тратят на дыхание от 40 до 70% от валовой продукции. Меньше всего ее тратят планктонные водоросли около 40% от всей использованной энергии. Та часть валовой продукции, которая не израсходована «на дыхание», называется чистой первичной продукцией: она представляет собой величину прироста растений и именно эта продукция потребляется консументами и редуцентами. Вторичная продукция не делится уже на валовую и чистую, так как консументы и редуценты, т. е. все гетеротрофы, увеличивают свою массу за счет первичной продукции, т. е. используют ранее созданную продукцию. Рассчитывают вторичную продукцию отдельно для каждого трофического уровня, так как она формируется за счет энергии, поступающей с предшествующего уровня. Все живые компоненты экосистемы продуценты, консументы и редуценты составляют общую биомассу («живой вес») сообщества в целом или его отдельных частей, тех или иных групп организмов. Биомассу обычно выражают через сырой и сухой вес, но можно выражать и в энергетических единицах в калориях, джоулях и т. п., что позволяет выявить связь между величиной поступающей энергии и, например, средней биомассой. На образование биомассы расходуется не вся энергия, но та энергия, которая используется, создает первичную продукцию и может расходоваться в разных экосистемах по-разному. Если скорость ее изъятия консументами отстает от скорости прироста растений, то это ведет к постепенному приросту биомассы продуцентов и возникает избыток мертвого органического вещества. Последнее приводит к заторфовыванию болот, зарастанию мелких водоемов, созданию большого запаса подстилки в таежных лесах и т. п. В стабильных сообществах практически вся продукция тратится в трофических сетях, и биомасса остается постоянной. Экологические пирамиды Функциональные взаимосвязи, т. е. трофическую структуру, можно изобразить графически, в виде так называемых экологических пирамид. Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а последующие уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды. Известны три основных типа экологических пирамид: 75 1) пирамида чисел, отражающая численность организмов на каждом уровне (пирамида Элтона); 2) пирамида биомассы, характеризующая массу живого вещества общий сухой вес, калорийность и т. д.; 3) пирамида продукции (или энергии), имеющая универсальный характер, показывающая изменение первичной продукции (или энергии) на последовательных трофических уровнях. Пирамида чисел отображает отчетливую закономерность, обнаруженную Элтоном: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается (рис. 5.6). В основе этой закономерности лежит, во-первых, тот факт, что для уравновешивания массы большого тела необходимо много маленьких тел; во-вторых, от низших трофических уровней к высшим теряется количество энергии (от каждого уровня до предыдущего доходит лишь 10% энергии) и в-третьих обратная зависимость метаболизма от размера особей (чем мельче организм, тем интенсивнее обмен веществ, тем выше скорость роста их численности и биомассы). Рис. 5.6. Упрощенная схема пирамиды Элтона (по Г. А. Новикову, 1979) Однако пирамиды численности будут сильно различаться по форме в разных экосистемах, поэтому численность лучше приводить в табличной форме, а вот биомассу в графической. Она четко указывает на количество всего живого вещества на данном трофическом уровне, например, в единицах массы на единицу площади г/м2 или на объем г/м3 и т. д. В наземных экосистемах действует следующее правило пирамиды биомасс: суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает всю биомассу хищников. Это правило соблюдается, и биомасса всей цепочки изменяется с изменениями величины чистой продукции, отношение годового прироста которой к биомассе экосистемы невелико и колеблется в лесах разных географических зон от 2 до 6%. И только в луговых растительных сообществах она может достигать 4055%, а в отдельных случаях, в полупустынях до 7075%. На рис. 5.7 показаны пирамиды биомасс некоторых биоценозов. Как видно из рисунка, для океана приведенное выше правило пирамиды биомасс недействительно она имеет перевернутый (обращенный) вид. Для экосистемы океана характерна тенденция накапливания биомассы на высоких уровнях, у хищников. Хищники живут долго и скорость оборота их генераций мала, но у продуцентов фитопланктонных водорослей оборачиваемость может в сотни раз превышать запас биомассы. Это значит, что их чистая продукция и здесь превышает продукцию, поглощенную консументами, т. 76 е. через уровень продуцентов проходит больше энергии, чем через всех консументов. Рис. 5.7. Пирамиды биомассы некоторых биоценозов (по Ф. Дре, 1976): П продуценты; РК растительноядные консументы; ПК плотоядные консументы; Ф фитопланктон; З зоопланктон (крайняя справа пирамида биомассы имеет перевернутый вид) Отсюда понятно, что еще более совершенным отражением влияния трофических отношений на экосистему должно быть правило пирамиды продукции (или энергии): на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы (или энергии), создаваемой за единицу времени, больше, чем на последующем. Пирамида продукции отражает законы расходования энергии в трофических цепях. На рис. 5.8 показана пирамида энергий (Ю. Одум, 1986). Рис. 5.8. Пирамида энергий для Силвер Спрингс в ккал/(м2 год) (по Ю. Одуму, 1975): заполненные части прямоугольника и цифры в скобках энергия, аккумулированная в биомассе: Р продуценты; Н травоядные; С плотоядные; ТС хищные рыбы; D деструкторы В конечном итоге все три правила пирамид отражают энергетические отношения в экосистеме, а пирамида продукции (энергии) имеет универсальный характер. В природе, в стабильных системах, биомасса изменяется незначительно, т. е. природа стремится использовать полностью валовую продукцию. Знание энергетики экосистемы и количественные ее показатели позволяют точно учесть возможность изъятия из природной экосистемы того или иного количества растительной и животной биомасссы без подрыва ее продуктивности. Человек получает достаточно много продукции от природных систем, тем не менее, основным источником пищи для него является сельское хозяйство. Создав агроэкосистемы, человек стремится получить как можно больше чистой продукции растительности, но ему необходимо тратить половину растительной массы на выкармливание травоядных животных, птиц и т. д., значительная часть продукции идет в промышленность и теряется в отбросах, т. е. и здесь теряется около 90% чистой продукции и только около 10% ее используется человеком непосредственно на потребление. В природных экосистемах энергетические потоки также изменяются по своей интенсивности и характеру, но этот процесс регулируется действием экологических факторов, что проявляется в динамике экосистемы в целом. 77 5.6. ДИНАМИКА ЭКОСИСТЕМЫ (ЦИКЛИЧНОСТЬ, СУКЦЕССИЯ, КЛИМАКС) Экосистема испытывает те же динамические процессы, что и в ее популяциях и сообществах: цикличность, смену популяций и биоценозов и др. Цикличность Суточная, сезонная и многолетняя периодичность внешних условий и проявление внутренних (эндогенных) ритмов организмов, флуктуации популяций достаточно синхронно отражаются в цикличности всего сообщества биоценоза. Суточные циклы наиболее резко выражены в условиях климата высокой континентальности, где значительная разница между дневными и ночными температурами. Например, в песчаных пустынях Средней Азии в жаркий полдень многие животные прячутся в норы или ведут ночной образ жизни летом, а некоторые зимой переходят на дневной (змеи, пауки и др.). Однако суточные ритмы наблюдаются во всех географических зонах, и даже в тундре в полярный день растения закрывают и открывают свои цветки в соответствии с этими ритмами. Сезонная цикличность выражается в том, что на определенный период из биоценоза «выпадают» группы животных и даже целые популяции, впадающие в спячку, в период диапауз или оцепенений, при исчезновении однолетних трав, опаде листвы и т. п. Это в слабой форме выражено даже во влажных тропических лесах. Многолетняя цикличность проявляется благодаря флуктуациям климата. Многолетняя периодичность в изменении численности биоценоза, вызванная резко неравномерным выпадением осадков по годам, с периодическим повторением засух, хорошо иллюстрируется повторением массовых размножений животных, например саранчевых (налеты саранчи). Многолетняя цикличность может быть связана с особенностями развития растений эдификаторов. Например, в буковых лесах сомкнутые кроны многолетних деревьев угнетает растительность нижних ярусов, но как только бук упадет, начинают бурно расти молодые деревья и крона восстанавливается. Так происходит обновление букового леса, на которое в естественных условиях требуется цикл в 250 лет. Экологическая сукцессия Ю. Одум (1986) под экологической сукцессией понимает вообще весь процесс развития экосистемы. Более конкретное определение дает этому явлению Н. Ф. Реймерс (1990): «Сукцессия последовательная смена биоценозов, преемственно возникающая на одной и той же территории (биотопе) под влиянием природных факторов (в том числе и внутренних противоречий самих биоценозов) или воздействия человека». Изменения в сообществе в результате сукцессии носят закономерный характер и обусловлены взаимодействием организмов между собой и с окружающей абиотической средой. Экологическая сукцессия происходит в определенный отрезок времени, в который происходит изменение видовой структуры сообщества и абиотической среды его существования вплоть до кульминации его развития возникновения стабилизированной системы. Такую стабилизированную экосистему называют климаксом. В этом состоянии система находится тогда, когда в ней на единицу энергии приходится максимальная биомасса и максимальное количество симбиотических связей между организмами (Ю. Одум, 1975). Однако к этому состоянию система проходит ряд стадий развития, первые из которых часто называют стадией первых поселенцев. Поэтому, в более узком смысле, сукцессия это последовательность сообществ, сменяющих друг друга в данном районе. Стабильность сообщества может быть длительной лишь в том случае, если изменения среды, вызванные одними организмами, точно компенсируются деятельностью других, с противоположными экологическими требованиями. Это условие нарушается при нарушении круговорота веществ и тогда часть популяций, которые не могут выдержать конкуренцию, вытесняются другими, для которых эти условия благоприятны и гомеостаз восстанавливается. Для возникновения сукцессии необходимо свободое пространство. В зависимости от 78 первоначального состояния субстрата, различают первичную и вторичную сукцессии. Первичная сукцессия это, если формирование сообществ начинается на первоначально свободном субстрате, а вторичная сукцессия это последовательная смена одного сообщества, существовавшего на данном субстрате, другим, более совершенным для данных абиотических условий. Первичная сукцессия позволяет проследить формирование сообществ с самого начала. Она может возникнуть на склоне после оползания или обвала, на образовавшейся отмели при отступлении моря и изменении русла рекой, на обнаженных эоловых песках пустыни, не говоря уже об антропогенных нарушениях: свежая лесосека, намывная полоса морского побережья, искусственные водохранилища. Первыми, как правило, на свободное пространство начинают внедряться растения посредством перенесенных ветром спор и семян, либо за счет вегетативных органов оставшихся по соседству растений. В качестве примера первичной сукцессии обычно приводят зарастание еловым лесом новых территорий на севере нашей страны. Ельник это уже последняя климаксная стадия развития экосистемы в климатических условиях севера, т. е. уже коренной биоценоз. Вначале же здесь развиваются березняки, ольховники, осинники, под пологом которых растут ели. Постепенно они перерастают березу и вытесняют ее, захватывая пространство (рис. 5.9). Семена обеих древесных пород легко переносятся ветром, но если даже они прорастут одновременно, береза растет намного быстрее к шести десяти годам ель едва достигает 5060 см, а береза восьми десяти метров. Под уже сомкнутыми кронами берез возникает уже свой микроклимат, обилие опада листьев способствует формированию особых почв, поселяются многие животные, разнообразный травянистый покров, создаются консорции березы с окружающей средой. А ель продолжает расти в столь благоприятной обстановке, и, наконец, береза не выдерживает конкуренции с ней за пространство и свет и вытесняется елью. 79 Рис. 5.9. Смена березняка ельником (по И. Н. Пономаревой, 1978) Классическим примером природной сукцессии является «старение» озерных экосистем эвтрофикация. Оно выражается в зарастании озер растениями от берегов к центру. Здесь наблюдается ряд стадий зарастания от начальных дальние от берега до достигнутых у берега. Эти стадии показаны и описаны на рис. 5.10. В конечном итоге озеро превращается в торфяное болото, представляющее устойчивую экосистему климаксного типа. Но и она не вечна на ее месте постепенно может возникнуть лесная экосистема уже благодаря наземной сукцессионной серии в соответствии с климатическими условиями местности. 80 Рис. 5.10. Зарастание эвтрофного водоема с непроточной или слабо проточной водой (пунктиром показан нижний уровень воды): Зоны: 0 свободноплавающие растения; 1 низкие (придонные) погруженные растения; 2 высокие погруженные растения; 3 растения с плавающими листьями; 4 высокие надводные растения; 5 низкие и средневысокие надводные растения; 6 черноольховая топь. Отложения: 1 сапропелит; 3 сапропелитовый торф; 4 тростниковый и камышовый торф; 5 осоковый торф; б лесной торф (Соловьев, 1983) Эвтрофикация водоема в значительной степени определяется привносом извне биогенных элементов. В природных условиях биогены сносятся с площади водосбора. Такая эвтрофикация имеет черты первичной прогрессивной сукцессии. Вторичная сукцессия является, как правило, следствием деятельности человека. В частности, описанная выше смена растительности при формировании ельника чаще происходит в результате вторичной сукцессии, возникающей на вырубках ранее существовавшего леса (ельника). Вторичная сукцессия заканчивается стабильной стадией сообщества через 150250 лет, а первичная длится 1000 лет. Вторичная, антропогенная сукцессия проявляется также и в эвтрофикации. Бурное «цветение» водоемов, особенно искусственных водохранилищ, есть результат их обогащения биогенами, обусловленное деятельностью человека. «Пусковым механизмом» процесса обычно является обильное поступление фосфора, реже азота, иногда углерода и кремния. Ключевую роль обычно играет фосфор. При поступлении биогенов резко возрастает продуктивность водоемов за счет роста водорослей и, прежде всего, синезеленых цианей, из царства дробянок. Многие из них могут фиксировать молекулярный азот из атмосферы, тем самым снижая лимитирующее действие азота, а некоторые способны освобождать фосфор из продуктов метаболизма различных водорослей, обладая этим и рядом других подобных качеств, они захватывают водоем и доминируют в биоценозе. Биоценоз практически полностью перерождается. Наблюдаются массовые заморы рыб. «В особо тяжелых случаях вода приобретает цвет и консистенцию горохового супа, неприятный гнилостный запах: жизнь аэробных организмов исключена» (Соловьев, 1987). Последовательный ряд постепенно и закономерно сменяющих друг друга в сукцессии сообществ называется сукцессионной серией. Она наблюдается в природе не только в лесах, болотах и озерах (см. рис. 5.9; 5.10), но и на стволах отмирающих деревьев и в пнях, где происходит закономерная смена сапрофитов и сапрофагов, в лужах и прудах и т. д. Иными словами сукцессии разномасштабны и иерархичны так же, как и сами экосистемы. 81 Сукцессионные процессы и климакс Первые переселенцы, которые приживаются на новом участке, это организмы, толерантные к абиотическим условиям нового для них местообитания. Не встречая особого сопротивления среды они чрезвычайно быстро размножаются (саранча, эфемерная растительность и т. п.), т. е. на ранних этапах в эволюции экосистемы преобладает r-стратегия (рост численности). Но постепенно возрастает видовое разнообразие за счет достаточно быстрой смены и увеличения количества популяций и начинает возрастать значение K-фактора (ограничитель роста). Увеличение видового разнообразия приводит к усложнению связей внутри сообщества, умножению симбиотических связей, снижению чрезмерной рождаемости и доминирования массовых видов и т. д. Наконец действия r- и K-факторов уравновешиваются и сообщество развивающейся серии становится стабильным, или климаксным, «это самоподдерживающееся сообщество, находящееся в равновесии с физическим местообитанием» (Ю. Одум, 1975). Развивающееся сообщество преобразует и само местообитание. На первых этапах для растительных форм первостепенное значение имеют почвенные биогенные элементы. Но черпать их из запасов почв до бесконечности невозможно и, по мере истощения этих запасов, разложение отмершей органики становится основным источником питания минеральными веществами биогеохимического круговорота. Однако такой круговорот возможен лишь в автотрофной системе, черпающей энергию от Солнца. Другое дело гетеротрофная сукцессия, когда приток мертвого органического вещества не восполняет запасы, т. е. первичная продукция равна нулю, и участвуют в сукцессии только гетеротрофные организмы. В этом случае количество энергии не добавляется, а уменьшается, и система прекращает свое существование все организмы погибают или, в лучшем случае, переходят в покоющиеся стадии. Хорошим примером такой сукцессии является сукцессия в гниющих стволах деревьев, в трупах животных, фекалиях и на вторичных стадиях обработки сточных вод. Такая модель сукцессии должна ассоциироваться, по мнению Ю. Одума (1975), с эксплуатацией залежей горючих полезных ископаемых человеком. На ранних стадиях сукцессионной серии чистой продукции получается значительно больше, и при ее изымании человеком сукцессия только приостанавливается, но основа продуктивности на этих этапах не подрывается. Другое дело, в климаксных сериях здесь чистая продуктивность снижается и, в принципе, становится константой. В этом случае очень важно знать величину этой константы, с тем чтобы четко представлять себе ту величину чистой продукции, которую можно изъять из системы, сохранив ее способность к самовозобновлению. Так, например, вырубку лесов надо вести на локальных участках, с оставлением части территории с коренными типами пород. Это сократит время восстановления фитоценозов, так как сукцессионные серии сократятся до нескольких десятилетий (3050 лет). Сплошная рубка приведет к разрушению всей экосистемы, в том числе ее эдафической части. Восстановление лишь почв потребует тысячелетия. Боле того, сукцессионная серия может пойти не по пути формирования прежнего лесного сообщества, а по пути формирования пустыни и болот или других малопродуктивных экосистем. Таким образом, сообщество не может одновременно быть высокостабильным и давать большой выход чистой продукции, который можно было бы изъять без вреда для самого биоценоза. В почвенной биоте столь же активно протекают сукцессионные процессы. Они обусловлены разложением органического вещества и лежат в основе биологических круговоротов естественных регуляторов процессов, обеспечивающих плодородие почвы. Загрязнение почвенной среды и нарушение процессов образования гумуса снижает регуляторную способность почв и ведет к подрыву естественного плодородия, а следовательно, и к изменениям в экосистеме. Таким образом, эдафическая компонента может весьма существенно повлиять на ход экологической сукцессии при нарушении ее регуляторной функции. Полнота сукцессий и видовое разнообразие возможны в случае надежной «работы» круговорота питательных веществ. Только в этом случае можно говорить о стабильности экосистемы, которая 82 достигается в результате преобразования сообщества на основе длительной эволюции видов. Полным биологическим разнообразием обладает биосфера, которая и является самой стабильной глобальной экосистемой экосферой. Но биологическое разнообразие, обеспечивающее ее стабильность, это прежде всего разнообразие стабильных природных экосистем, отличающихся видовым разнообразием естественной биоты. 5.7. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД И МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЭКОЛОГИИ Системный подход в экологии обусловил формирование целого направления, ставшего ее самостоятельной отраслью системной экологией. Системный подход это направление в методологии познания объектов как систем. Система это множество взаимосвязанных элементов, образующих определенную целостность, единство. Ее состав, структуру и свойства изучают посредством системного анализа, являющегося основой системного подхода и представляющего собой совокупность методологических средств, используемых для решения сложных научных проблем. В эту совокупность средств входит комплекс методов от простых описательных, логических до весьма сложных математических. Технической основой системного анализа являются современные ЭВМ и информационные системы с широким использованием методов математического программирования, теории игр и т. д. Основными системными принципами являются: целостность, структурность, взаимозависимость системы и среды, иерархичность, множественность описания каждой системы. Целостность обобщенная характеристика системы, свойства которой несводимы к сумме свойств ее элементов и невыводимы из этих свойств (целостность организмов более полной будет в популяции, популяции в биоценозе и т. д., и свойства каждой системы несводимы к свойствам ниже стоящих). Структурность установление структуры и взаимозависимости структурных элементов, обусловленности поведения системы ее структурой (структура биоценоза, трофическая структура экосистемы и установление измеримых связей между трофическими уровнями и др.). Взаимозависимость системы и среды выражается в формировании и проявлении ее свойств в результате их взаимодействия (взаимодействие биоценоза и биотопа, популяций в биоценозе и т. п.). Иерархичность это когда каждый компонент системы может рассматриваться как самостоятельная система, а сама исследуемая система является составной частью более широкой системы (уровни биологической организации, вплоть до глобальной системы биосферы). Экосистемы это весьма сложные самоорганизующиеся и целенаправленные, со сложной иерархической структурой системы, требующие множественного описания каждой системы, что требует построения множества моделей, т. е. широкого использования методов моделирования при исследовании. Построение обобщенных моделей, отражающих все факторы и взаимосвязи в системе, являются центральной процедурой системного анализа. Понятие «модель» широко используется, например, на бытовом уровне: модель самолетов, кораблей, автомобилей и т. п. Если эти модели не действующие, то они отражают только морфологические особенности объекта, но уже знание этих особенностей позволяет человеку, если он раньше не видел оригинал, узнать этот оригинал по модели. Иными словами, лишь часть свойств объекта позволяет судить об объекте в целом, в данном случае о форме объекта. Нечто похожее происходит и при научных исследованиях. Традиционная схема научного исследования: исследователь объект. Здесь исследователь получает информацию путем непосредственного изучения объекта. Например, биолог изучает видовой состав фитопланктона под микроскопом. Но такое возможно лишь на достаточно простых объектах, но не при исследовании целостной структуры экосистемы, взаимодействия ее компонентов и т. п. В этом случае необходимо моделирование, при котором работает схема: исследователь модель объект изучения. Например, чтобы получить представление об энергетических потоках в экосистеме, необходимо представить себе модель в виде пирамиды энергий или хотя бы пирамиды Элтона и т. п. Здесь 83 появляется промежуточный (вспомогательный) объект изучения модель. Модель это вспомогательный объект, находящийся в определенном объективном соответствии с познаваемым оригиналом и способный замещать его на отдельных этапах познания. Моделирование это разработка, исследование модели и распространение модельной информации на оригинал (Лиепа, 1982). Достоинства моделирования проявляются там, где возможности традиционного подхода оказываются ограниченными. Именно такой областью познания является экология. Модель должна соответствовать двум требованиям: 1) она должна отражать лишь те особенности оригинала, которые выступают в качестве предмета познания, и 2) она должна быть адекватна оригиналу (иначе представления о нем будут искажены). Сам процесс моделирования, по И. Я. Лиепа (1982), можно разделить на четыре этапа: качественный анализ, математическая реализация, верификация и изучение моделей. Первый этап моделирования качественный анализ является основой любого объектного моделирования. На его основе формируются задачи и выбирается вид модели. Этот этап обязан обеспечить соответствие модели двум вышеуказанным требованиям. Вид модели выбирается исходя из способа построения, из характера самого объекта и др. По способу построения все модели делят на два класса: материальные и абстрактные. Материальные модели по своей физической природе сходны с оригиналом. Они могут сохранить геометрическое подобие оригиналу (макеты, тренажеры, искусственные заменители органов и т. д.), подобие протекания физических процессов с оригиналом физическое моделирование (гидрологическая модель течение воды и т. п.) и могут быть природными объектами прообразами оригинала, т. е. натурными моделями (метод пробных участков). Материальные модели используются обычно в технических целях и мало подходят для экологических проблем. Более подходящими здесь являются абстрактные модели, представляющие собой описание оригинала в словесной форме или посредством символов и операций над ними, отражающих исследуемые особенности оригинала. Абстрактные модели подразделяются на три типа: вербальные, схематические и математические. Вербальные модели это формализованный вариант традиционного естественнонаучного описания в виде текста, таблиц и иллюстраций (Федоров, Гильманов, 1980). Схематические модели разрабатываются в виде различного рода схем, рисунков, графиков и фотографий, основные их достоинства наглядность, информативность и простота построения (трофические цепи, пирамида Элтона, схемы структуры, динамики и энергетики экосистем, воздействия экологических факторов, биохимических круговоротов и др.). Вербальные и схематические модели неотъемлемая часть качественного анализа математического моделирования, являющегося наиболее совершенным видом количественного исследования оригинала, позволяющая построить его математическую модель. Математическая модель это математическое описание оригинала, отражающее его целостность, структуру, динамику, функционирование и взаимосвязи оригинала, внешних и внутренних факторов воздействия» (Лиепа, 1982). Это означает, что практически эта модель есть формула или система уравнений и неравенств. По своему характеру выделяют модели статические и динамические. Статическая модель отражает объект (систему), изменяющий свое состояние во времени, а динамическая модель отражает объект (систему), изменяющий свое состояние во времени. Подавляющее большинство живых объектов и систем это динамические системы и могут быть отражены только лишь динамическими моделями. Второй этап моделирования это математическая реализация логической структуры модели. С точки зрения технологии применения математических методов можно выделить модели аналитические и численные (компьютерские). Аналитическая модель это построение теоретических концепций с применением строгого математического аппарата, обычно позволяющего вывести общую формульную зависимость. Компьютерские модели П. М. Брусиловский, Г. С. 84 Розенберг (1981) делят на имитационные и самоорганизующиеся. Имитационные модели отражают представления исследователя о взаимосвязях в экосистеме и как они реализуются. Наилучшие результаты эти модели дают при составлении прогноза изменений в экосистеме. Самоорганизующиеся модели относятся к классу регрессионных уравнений, в них широко используются вероятностно-статистические методы расчетов. Третий этап моделирования предусматривает верификацию модели: проверку соответствия модели оригиналу. На этом этапе необходимо удостовериться, что выбранная модель отвечает второму требованию: адекватно отражает особенности оригинала. Для этого может быть проведена эмпирическая проверка сравнение полученных данных с результатами наблюдений за оригиналом. Модель может быть признана высококачественной, если прогнозы оправдываются. При отсутствии эмпирических данных проводится теоретическая верификация по теоретическим представлениям определяется область применения и прогностические возможности модели. Четвертый этап моделирования это изучение модели, экспериментирование с моделью и экологическая интерпретация модельной информации. Основная цель этапа выявление новых закономерностей и исследование возможностей оптимизации структуры и управление поведением моделируемой системы, а также пригодность модели для прогнозирования. В экологии математические модели экосистем В. Д. Федоров и Т. Г. Гильманов (1980) предлагают разделить на модели популяционного, биоценотического и экосистемного уровней. Популяционные модели описывают особенности отдельных популяций, отражают их свойства и внутренние закономерности: модели, позволяющие оценить динамику численности и возрастного состава популяций в зависимости от рождаемости и смертности, заданных как функции лишь от общей плотности и возрастного состава популяций. Модели биоценотического уровня задаются как системы уравнений, отражающих динамику биоценоза как функцию плотностей составляющих его популяций. Модели экосистемного уровня представляют собой системы уравнений, в число аргументов которых включены как внутренние переменные состояния, так и внешние факторы воздействия и целостные свойства экосистем. Модели этого уровня учитывают и роль обратных связей в функционировании систем. При построении любой модели главная задача создать модель достаточной полноты. Для этого необходимо стремиться учесть все существенные факторы, влияющие на рассматриваемые явления; уделить специальное внимание наличию в ней противоречивых элементов, как одного из признаков полноты модели; учесть возможность появления неизвестных факторов, чтобы в случае необходимости дополнить модель новым элементом. Биология одна из первых наук, в которой приоритетное значение приобрел системный подход в изучении природы, впервые в научной форме использованный Ч. Дарвиным. Особенно широко используются системные идеи в экологии. На новую, более высокую ступень идеи системного подхода поставлены в учении В. И. Вернадского о биосфере и ноосфере, где научному познанию предложен новый тип объектов глобальные системы. Такой глобальной экосистемой и является биосфера, объединяющая на основе иерархического принципа все экосистемы Земли более низких уровней. Контрольные вопросы 1. Что понимается под экосистемой? 2. Охарактеризуйте трофическую структуру экосистемы. 3. Как взаимосвязаны энергетические потоки и трофические цепи в экосистеме? Цепи выедания (пастбищные) и цепи разложения (детритные). 4. Какое экологическое значение имеют продуцирование и разложение в природе? 5. В чем экологическая суть принципа биологического накопления? 6. Что такое продуктивность экосистемы и уровни продуцирования? 7. Что такое биомасса экосистемы и каковы экологические последствия ее нестабильности? 85 8. Что отражается экологическими пирамидами численности? биомассы? продукции (энергии)? 9. Что такое цикличность экосистем, как и какими факторами она обусловлена? 10. Что такое сукцессия? Причины ее возникновения. 11. В чем сущность первичной и вторичной сукцессии? Эвтрофикация. 12. Что понимается под сукцессионной серией и как возникает климаксное сообщество? 13. Почему сообщество не может одновременно быть высокостабильным и давать большой выход чистой продукции? 14. Что такое системная экология и на каких методах исследования она базируется? Дайте характеристику основных системных принципов. 15. Какие типы моделей используются при экологическом моделировании? Уровни математических моделей экосистем. 86 РАЗДЕЛ II. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ ГЛАВА 6. БИОСФЕРА КАК ГЛОБАЛЬНАЯ ЭКОСИСТЕМА ЗЕМЛИ 6.1. МЕСТО БИОСФЕРЫ СРЕДИ ОБОЛОЧЕК ЗЕМЛИ Биосфера («сфера жизни») сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека. Впервые термин «биосфера» был введен в науку геологом из Австрии Э. Зюссом в 1875 г. Он понимал под биосферой тонкую пленку жизни на земной поверхности. Роль и значение биосферы для развития жизни на нашей планете оказались настолько велики, что уже в первой трети ХХ в. возникло новое фундаментальное научное направление в естествознании учение о биосфере, основоположником которого является великий русский ученый В. И. Вернадский. Земля и окружающая ее среда сформировались в результате закономерного развития всей солнечной системы. Около 4,7 млрд лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газопылеватого вещества образовалась планета Земля. Как и другие планеты, Земля получает энергию от Солнца, достигающую земной поверхности в виде электромагнитного излучения. Солнечное тепло одно из главных слагаемых климата Земли, основа для развития многих геологических процессов. Огромный тепловой поток исходит из глубины Земли. По новейшим данным, масса Земли составляет 6 1021 т, объем 1,083 1012 км3, площадь поверхности 510,2 млн км2. Размеры, а следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты ограничены. Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер) внутренних и внешних. К внутренним относятся ядро, мантия, а к внешним литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и сложная оболочка Земли биосфера. Литосфера (греч. «литос» камень) каменная оболочка Земли, включающая земную кору мощностью (толщиной) от 6 (под океанами) до 80 км (горные системы) (рис. 6.1). Земная кора сложена горными породами. Доля различных горных пород в земной коре неодинакова более 70% приходится на базальты, граниты и другие магматические породы, около 17% на преобразованные давлением и высокой температурой породы и лишь чуть больше 12% на осадочные (табл. 6.1). 87 Рис. 6.1. Схема строения литосферы Таблица 6.1 Соотношение горных пород земной коры Земная кора важнейший ресурс для человечества. Она содержит горючие полезные ископаемые (уголь, нефть, горючие сланцы), рудные (железо, алюминий, медь, олово и др.) и нерудные (фосфориты, апатиты и др.) полезные ископаемые, естественные строительные материалы (известняки, пески, гравий и др.). Гидросфера (греч. «гидор» вода) водная оболочка Земли. Ее подразделяют на поверхностную и подземную. Поверхностная гидросфера водная оболочка поверхностной части Земли. В ее состав входят воды океанов, морей, озер, водохранилищ, болот, ледников, снежных покровов и др. Все эти воды постоянно или временно располагаются на земной поверхности и носят название поверхностных. Поверхностная гидросфера не образует сплошного слоя и прерывисто покрывает земную поверхность на 70,8%. Подземная гидросфера включает воды, находящиеся в верхней части земной коры. Их называют подземными. Сверху подземная гидросфера ограничена поверхностью Земли, нижнюю ее 88 границу проследить невозможно, так как гидросфера очень глубоко проникает в толщу земной коры. По отношению к объему земного шара общий объем гидросферы не превышает 0,13%. Основную часть гидросферы (96,53%) составляет Мировой океан (табл. 6.2). На долю подземных вод приходится 23,4 млн км3, или 1,69% от общего объема гидросферы, остальное воды рек, озер и ледников. Таблица 6.2 Распределение вод на Земле Более 98% всех водных ресурсов Земли составляют соленые воды океанов, морей и др. Общий объем пресных вод на Земле равен 28,25 млн км3, или около 2% общего объема гидросферы. Основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках, воды которых пока используются очень мало. На долю остальной части пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится 4,2 млн км3 воды, или всего лишь 0,3% объема гидросферы. Гидросфера играет огромную роль в формировании природной среды нашей планеты. Весьма активно она влияет и на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их влагой и т. д.). Атмосфера (греч. «атмос» пар) газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли (табл. 6.3, по Н. Реймерсу, 1990). Общая масса атмосферы 5,15 1015 т. На высоте от 10 до 50 км, с максимумом концентрации на высоте 2025 км, расположен слой озона, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового облучения, гибельного для организмов. Таблица 6.3 Состав атмосферы 89 Атмосфера физически, химически и механически воздействует на литосферу, регулируя распределение тепла и влаги. Погода и климат на Земле зависят от распределения тепла, давления и содержания водяного пара в атмосфере. Водяной пар поглощает солнечную радиацию, увеличивает плотность воздуха и является источником всех осадков. Атмосфера поддерживает различные формы жизни на Земле. В формировании природной среды Земли велика роль тропосферы (нижний слой атмосферы до высоты 810 км в полярных, 1012 км в умеренных и 1618 км в тропических широтах) и в меньшей степени стратосферы, области холодного разреженного сухого воздуха толщиной примерно 20 км. Сквозь стратосферу непрерывно падает метеоритная пыль, в нее выбрасывается вулканическая пыль, а в прошлом и продукты ядерных взрывов в атмосфере. В тропосфере происходят глобальные вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс, во многом определяющие круговорот воды, теплообмен, трансграничный перенос пылевых частиц и загрязнений. Атмосферные процессы тесно связаны с процессами, происходящими в литосфере и водной оболочке. К атмосферным явлениям относят: осадки, облака, туман, грозу, гололед, пыльную (песчаную) бурю, шквал, метель, изморозь, росу, иней, обледенение, полярное сияние и др. Атмосфера, гидросфера и литосфера тесно взаимодействуют между собой. Практически все поверхностные, экзогенные, геологические процессы обусловлены этим взаимодействием и проходят, как правило, в биосфере. Биосфера внешняя оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы до высоты 2530 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км. Особенностью этих частей является то, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Взаимодействие абиотической части биосферы воздуха, воды и горных 90 пород, и органического вещества биоты, обусловило формирование почв и осадочных пород. Последние, по В. И. Вернадскому, несут на себе следы деятельности древних биосфер, существовавших в прошлые геологические эпохи. 6.2. СОСТАВ БИОСФЕРЫ КАК ГЛОБАЛЬНОЙ ЭКОСИСТЕМЫ Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической частей. Абиотическая часть представлена: 1) почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства; 2) атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни; 3) водной средой океанов, рек, озер и т. п. Биотическая часть состоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы (рис. 6.2). Рис. 6.2. Взаимосвязи живых организмов с компонентами биосферы В основе биогенной миграции в биосфере лежат два биохимических принципа: стремиться к максимальному проявлению, к «всюдности» жизни; обеспечить выживание организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию. Эти закономерности проявляются прежде всего в стремлении живых организмов «захватить» все мало-мальски приспособленные к их жизни пространства, создавая экосистему или ее часть. Но любая экосистема имеет границы, имеет свои границы в планетарном масштабе и биосфера. Один из вариантов границ биосферы приведен на рис. 6.5. При общем рассмотрении биосферы, как планетарной экосистемы, особое значение приобретает представление о ее живом веществе, как о некой общей живой массе планеты. Под живым веществом В. И. Вернадский понимает все количество живых организмов планеты как единое целое. Его химический состав подтверждает единство природы он состоит из тех же элементов, что и неживая природа (рис. 6.3), только соотношение этих элементов различное и строение молекул иное (рис. 6.4). 91 Рис. 6.3. Участие различных химических элементов атмосферы, гидросферы и литосферы в построении живого вещества (относительные числа атомов) (по В. Лархеру, 1978). Выделены самые распространенные элементы 92 Рис. 6.4. Структурные формулы некоторых органических соединений живой клетки Живое вещество образует ничтожно тонкий слой в общей массе геосфер Земли. По подсчетам ученых его масса составляет 2420 млрд т, что более чем в две тысячи раз меньше массы самой легкой оболочки Земли атмосферы. Но эта ничтожная масса живого вещества встречается практически повсюду в настоящее время живые существа отсутствуют лишь в области обширных оледенений и в кратерах действующих вулканов. «Всюдность жизни» в биосфере обязана потенциальным возможностям и масштабу приспособляемости организмов, которые постепенно, захватив моря и океаны, вышли на сушу и захватили ее. В. И. Вернадский считает, что этот захват продолжается. На рис. 6.5 наглядно показаны границы биосферы от высот атмосферы, где царят холод и низкое давление, до глубин океана, где давление достигает до 12 тыс. атм. Это стало возможным потому, что пределы толерантности температур у различных организмов практически от абсолютного нуля до плюс 180 С, а некоторые бактерии могут существовать в вакууме. Широк диапазон химических условий среды для ряда организмов от жизни в уксусе до жизни под действием ионизирующей радиации (бактерии в котлах ядерных реакторов). Более того, выносливость некоторых живых существ по отношению к отдельным факторам выходит даже за пределы биосферы, т. е. у них есть еще определенный «запас прочности» и потенциальные возможности к распространению. 93 Рис. 6.5. Распределение живых организмов в биосфере: 1 озоновый слой; 2 граница снегов; 3 почва; 4 животные, обитающие в пещерах; 5 бактерии в нефтяных водах (высота и глубина даны в метрах) Однако все организмы выживают еще и потому, что везде, где бы ни было их местообитание, существует биогенный ток атомов. Этот ток не смог бы иметь место, во всяком случае в наземных условиях, если бы не было почв. Почвы важнейший компонент биосферы, оказывающий, наряду с Мировым океаном, решающее влияние на всю глобальную экосистему в целом. Именно почвы обеспечивают питание биогенными веществами растения, которые кормят весь мир гетеротрофов. Почвы на Земле разнообразные и их плодородие тоже разное. Плодородие зависит от количества гумуса в почве, а его накопление, как и мощность почвенных горизонтов, зависит от климатических условий и рельефа местности. Наиболее богаты гумусом степные почвы, где гумификация идет быстро, а минерализация идет медленно. Наименее богаты гумусом лесные почвы, где минерализация по скорости опережает гумификацию. Выделяют по различным признакам множество типов почв. Под типом почв понимается большая группа почв, формирующаяся и в однородных условиях, характеризующаяся определенным почвенным профилем и направленностью почвообразования. Поскольку важнейшим почвообразующим фактором является климат, то, в значительной мере, генетические типы почв совпадают с географической зональностью: арктические и тундровые почвы, подзолистые почвы, черноземы, каштановые, серо-бурые почвы и сероземы, красноземы и желтоземы. Распространение основных типов почв на земном шаре показано на рис. 6.6. 94 Рис. 6.6. Схематическая карта зональных типов почв мира: 1 тундра; 2 подзолы; 3 серо-бурые подзолистые почвы, бурые лесные почвы и т. д.; 4 латеритные почвы; 5 почвы прерий и деградированные черноземы; 6 черноземы; 7 каштановые и бурые почвы; 8 сероземы и пустынные почвы; 9 почвы гор и горных долин (комплекс); 10 ледяной покров Время формирования почв зависит от интенсивности гумификации. Скорость накопления гумуса в почвах можно определить в единицах, измеряющих мощность (толщину) гумусового слоя по отношению к времени их формирования, например, в мм/год. Такие цифры приводятся в табл. 6.4. Таблица 6.4 Скорость формирования гумусового горизонта почв Русской равнины (по А. Н. Геннадиеву и др., 1987) Зная скорость накопления гумуса и мощность гумусового горизонта, можно рассчитать возраст различных типов почв (Геннадиев, 1987). На Русской равнине черноземы образовались за 25003000 лет, серые и бурые лесные почвы за 8001000 лет, подзолистые, примерно за 1500 лет. Скорость образования почв зависит и от типа материнской породы на гранитах во влажном тропическом климате для образования настоящей почвы надо 20000 лет. Эти данные позволяют количественно оценивать допустимый смыв при интенсивном антропогенном воздействии. Одновременно они свидетельствуют, как легко можно разрушить эту тонкую «коричневую пленку» и сколько нужно времени, не считая затрат, чтобы восстановить утраченное. Почвенный покров, являясь неотъемлемым компонентом биосферы, выполняет ряд 95 биосферных, т. е. глобальных с экологических позиций, функций (табл. 6.5). В. Ф. Вальков, К. Ш. Казеев, С. И. Колесников (2004) считают, что этими функциями почв обеспечивается их важнейшая экологическая роль в биосфере, которая сводится к следующим положениям (приводится с некоторыми изменениями автором раздела настоящего учебника): 1) почва является средой обитания, аккумулятором и источником вещества и энергии для организмов суши; 2) почва регулирует состав атмосферы и гидросферы; 3) почва защитный барьер биосферы (нейтрализует значительную часть загрязняющих биосферу веществ, тем самым предотвращая их поступление в живое вещество); 4) почва обеспечивает малый биогеохимический круговорот веществ на суше и сопряжение его с большим геологическим круговоротом веществ и, тем самым, 5) обеспечивает существование жизни на Земле. Таблица 6.5 Глобальные функции почв (педосферы) (Добровольский, Никитин, 1986) Почва является граничным слоем между атмосферой и биосферной частью литосферы. В нем наблюдается не просто смешение живого и неживого компонентов природы, но и их взаимодействие в рамках почвенной экосистемы. Главное назначение этой экосистемы обеспечение круговорота веществ в биосфере. 96 6.3. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический). Большой круговорот веществ в природе (геологический). Геологический круговорот обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы (рис. 6.7). Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям. Рис. 6.7. Большой (геологический) круговорот веществ Большой круговорот это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что затрачивается почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока. Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана конденсация водяного пара выпадение осадков на эту же водную поверхность океана. Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за два миллиона лет (см. рис. 6.10). Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический). В отличие от большого круговорота, малый совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого 97 вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Эта энергия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Например, на экваторе количество тепла, приходящееся на единицу площади, в три раза больше, чем на архипелаге Шпицберген (80 с. ш.). Кроме того, она теряется путем отражения, поглощается почвой, на транспирацию воды и т. д. (рис 6.8), а, как мы уже отмечали, на фотосинтез тратится не более 5% от всей энергии, но чаще всего 23%. Рис. 6.8. Поступление и распределение солнечной энергии в пределах биосферы Земли В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей. Такой круговорот обычно называют биологическим (см. рис. 5.1). Он предполагает замкнутый 98 цикл веществ, многократно используемый трофической цепью. Безусловно, он может иметь место в водных экосистемах, особенно в планктоне с его интенсивным метаболизмом, но не в наземных экосистемах, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питательных веществ «от растения к растению», корни которых на поверхности почвы. Однако в масштабах всей биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует биогеохимический круговорот, представляющий собой обмен макро- и микроэлементов и простых неорганических веществ (CO2, H2O) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговорот отдельных веществ В. И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т. д. Такие элементы называют биофильными. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере. В. И. Вернадский выделяет пять таких функций: первая функция газовая основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы продукт разложения отмершей органики; вторая функция концентрационная организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди металлов первый кальций, концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, йода водоросли (ламинария), фосфора скелеты позвоночных животных; третья функция окислительно-восстановительная организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью; четвертая функция биохимическая размножение, рост и перемещение в пространстве («расползание») живого вещества; пятая функция биогеохимическая деятельность человека охватывает все разрастающееся количество вещества земной коры, в том числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и др., для хозяйственных и бытовых нужд человека. В биогеохимических круговоротах следует различать две части, или как бы два среза: 1) резервный фонд это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами, 2) обменный фонд значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. Если же рассматривать биосферу в целом, то в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте). В связи с этим, следует отметить, лишь один-единственный на Земле процесс, который не тратит, а, наоборот, связывает, солнечную энергию и даже накапливает ее это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергиии заключается основная планетарная функция живого вещества на Земле. 6.4. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ ДЛЯ ЖИЗНИ ОРГАНИЗМОВ БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ Наиболее жизненно важными можно считать вещества, из которых, в основном, состоят белковые молекулы. К ним относятся углерод, азот, кислород, фосфор, сера. Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода (рис. 6.9) наиболее совершенны. Благодаря большим атмосферным резервам, они способны к быстрой саморегуляции. В круговороте углерода, а точнее наиболее подвижной его формы CO2, четко прослеживается трофическая цепь: продуценты улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы поглощающие углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуцентов возвращающих углерод вновь в круговорот. Скорость оборота CO2 составляет порядка 300 лет (полная его замена в атмосфере и других элементов цикла (рис.6.10). 99 Рис. 6.9. Схема биогеохимического круговорота веществ на суше (по Р. Кашанову, 1984) 100 Рис. 6.10. Темпы циркуляции веществ (Клауд и Джибор, 1972) В Мировом океане трофическая цепь: продуценты (фитопланктон) консументы (зоопланктон, рыбы) редуценты (микроорганизмы) осложняется тем, что некоторая часть углерода мертвого организма, опускаясь на дно, «уходит» в осадочные породы и участвует уже не в биологическом, а в геологическом круговороте вещества. Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода приводит к возрастанию содержания CO2 в атмосфере. Скорость круговорота кислорода 2000 лет (рис. 6.10), именно за это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. Основной поставщик кислорода на Земле зеленые растения. Ежегодно они производят на суше 53 109 т кислорода, а в океанах 414 109 т. Главный потребитель кислорода животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания. Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, так как он содержится в очень многих химических соединениях. Подсчитано, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% кислорода, который освобождается в процессе фотосинтеза. Предполагается, что ближайшее время весь продуцированный кислород будет сгорать в топках, а следовательно, необходимо значительное усиление фотосинтеза и другие радикальные меры. Биогеохимический круговорот азота не менее сложен, чем углерода и кислорода, и охватывает все области биосферы. Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом. И это при том, что запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78% от ее объема). Редуценты (деструкторы), а конкретно почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды и загрязняет их. Опасность заключается также и в том, что азот в виде нитратов и нитритов усваивается растениями и может передаваться по пищевым (трофическим) цепям. Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами. Роль бактерий в цикле азота такова, что если будет уничтожено только 12 их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится. Так считают американские ученые. Биогеохимический круговорот в биосфере помимо кислорода, углерода и азота совершают и многие другие элементы, входящие в состав органических веществ сера, фосфор, железо и др. 101 Биогеохимические циклы фосфора и серы, важнейших биогенных элементов, значительно менее совершенны, так как основная их масса содержится в резервном фонде земной коры, в «недоступном» фонде. Круговорот серы и фосфора типичный осадочный биогеохимический цикл. Такие циклы легко нарушаются от различного рода воздействий и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом биофильных компонентов. Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот (рис. 6.11) он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность суши, в зону выветривания. Эрозионными процессами он выносится в море в виде широко известного минерала апатита. Рис. 6.11. Круговорот фосфора в биосфере (по П. Дювиньо, М. Тангу, 1973; с изменениями) Общий круговорот фосфора можно разделить на две части водную и наземную. В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка морских птиц. Их экскременты (гуано) снова попадают в море и вступают в круговорот, либо накапливаются на берегу и смываются в море. Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы. В наземных экосистемах фосфор извлекается растениями из почв и далее он распространяется по трофической сети. Возвращается в почву после отмирания животных и растений и с их 102 экскрементами. Теряется фосфор из почв в результате их водной эрозии. Повышенное содержащие фосфора на водных путях его переноса вызывает бурное увеличение биомассы водных растений, «цветение» водоемов и их эвтрофикацию. Большая же часть фосфора уносится в море и там теряется безвозвратно. Последнее обстоятельство может привести к истощению запасов фосфорсодержащих руд (фосфоритов, апатитов и др.). Следовательно, надо стремиться избежать этих потерь и не ожидать того времени, когда Земля вернет на сушу «потерянные отложения». Сера также имеет основной резервный фонд в отложениях и почве, но, в отличие от фосфора, имеет резервный фонд и в атмосфере (рис. 6.12). В обменном фонде главная роль принадлежит микроорганизмам. Одни из них восстановители, другие окислители. Рис. 6.12 . Круговорот серы (по Ю. Одуму, 1975): «Кольцо» в центре схемы иллюстрирует процессы окисления (О) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата (SO 4) и фондом сульфидов железа, находящихся глубоко в почве и в осадках В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS2 и др.), в растворах в форме иона (SO4)2, в газообразной фазе в виде сероводорода (H2S) или сернистого газа (SO2). В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S2) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы. В морской среде сульфат-ион занимает второе место по содержанию после хлора и является основной доступной формой серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в состав аминокислот. Круговорот серы, хотя ее требуется организмам в небольших количествах, является ключевым в общем процессе продуцирования и разложения (Ю. Одум, 1986). Например, при образовании сульфидов железа, фосфор переходит в растворимую форму, доступную для организмов. В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, захватывается микроорганизмами, которые восстанавливают ее до H2S. Другие организмы и воздействие самого кислорода приводят к окислению этих продуктов. Образовавшиеся сульфаты растворяются и поглощаются растениями из поровых растворов почвы так продолжается круговорот. Однако круговорот серы, так же как и азота, может быть нарушен вмешательством человека (см. рис. 6.12). Виной тому прежде всего сжигание ископаемого топлива, а особенно угля. Сернистый газ (SO2) нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности. Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком. Так, добывая минеральные удобрения, он загрязняет воду и воздушную среду. В воду попадает фосфор, вызывая эвтрофикацию, азотистые высокотоксичные соединения и др. Иными словами, круговорот становится не циклическим, а ациклическим. Охрана природных ресурсов должна быть направлена на то, чтобы ациклические 103 процессы превратить в циклические. Таким образом, всеобщий гомеостаз биосферы зависит от стабильности биогеохимического круговорота веществ в природе. Но являясь планетарной экосистемой, она состоит из экосистем всех уровней, первоочередное значение для ее гомеостаза имеют целостность ее и устойчивость природных экосистем. Контрольные вопросы 1. Какое место биосфера занимает среди оболочек Земли и в чем ее коренное отличие от других оболочек? 2. Из чего состоят абиотическая и биотическая части биосферы как глобальной экосистемы? 3. Что понимал В. И. Вернадский под живым веществом планеты? 4. Какие биохимические принципы лежат в основе биогенной миграции? 5. Как осуществляется большой круговорот веществ, в том числе большой круговорот воды, в природе? 6. Какие важнейшие функции живого вещества обеспечиваются посредством малого круговорота веществ в природе? 7. Какова роль резервного и обменного фондов в биогеохимическом круговороте веществ? 8. В чем особенности биогеохимических циклов основных биогенных элементов? 104 ГЛАВА 7. ПРИРОДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ ЗЕМЛИ КАК ХОРОЛОГИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ БИОСФЕРЫ 7.1. ЛАНДШАФТЫ И ЭКОСИСТЕМЫ Классификации природных экосистем биосферы базируются на ландшафтном подходе, так как экосистемы неотъемлемая часть природных географических ландшафтов, образующих географическую (ландшафтную) оболочку Земли. Биогеоценозы (экосистемы) образуют на поверхности Земли так называемую биогеосферу, являющуюся основой биосферы, которую В. И. Вернадский назвал «пленкой жизни», а В. Н. Сукачев «биогеноценотическим покровом». «Биогеноценотический покров» В. Н. Сукачева это не что иное, как ряд природных экосистем, представляющих собой пространственные (хорологические) единицы (части, элементы) биосферы. Эти единицы, как правило, совпадают своими границами с ландшафтными элементами географической оболочки Земли. Ландшафт природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (верхние горизонты литосферы, рельеф, климат, воды, почвы, растительность, животный мир) находятся в сложном взаимодействии, образуя однородную по условиям развития единую систему. Ландшафтный подход в экологии имеет, прежде всего, большое значение для целей рационального природопользования, где весьма важно различать геосистемы (ландшафт) и экосистемы, в частности, при качественной и количественной оценке природных ресурсов. Эти различия хорошо видны на схематическом отображении этих систем (рис. 7.1, А). По происхождению выделяют два основных типа ландшафтов природный и антропогенный. Природный ландшафт формируется исключительно под влиянием природных факторов и не преобразован хозяйственной деятельностью человека. Изначально выделяли следующие природные ландшафты: геохимический обозначает участок, выделенный на основе единства состава и количества химических элементов и соединений. Интенсивность их накопления в ландшафте или, напротив, скорость самоочищения ландшафта могут служить показателями его устойчивости по отношению к антропогенным воздействиям; элементарный ландшафт обозначает участок, сложенный определенными породами, находящимися на одном элементе рельефа, в равных условиях залегания грунтовых вод, с одинаковым характером растительных ассоциаций и одним типом почв; охраняемый ландшафт, на котором в установленном порядке регламентированы или запрещены все или отдельные виды хозяйственной деятельности (рис. 7.1, Б) 105 Рис. 7.1. Экосистемы и ландшафты: графические модели, показывающие различия между понятиями «экосистема» (а) и «геосистема» (ландшафт) (б). Компоненты: 1 вода, 2 горные породы и рельеф, 3 почва, 4 биота (Ю. Я. Потапенко, 1996); Б характерная смена разнообразных ландшафтов в Тебердинском заповеднике на Северном Кавказе (Д. С. Салпагаров. Домбай экскурсионный район А Тебердинского государственного заповедника, М., 2002) Однако, как считают многие ученые, сейчас преобладают на суше антропогенные ландшафты, или, во всяком случае, по распространенности они равны природным. Антропогенный ландшафт это бывший природный ландшафт, преобразованный хозяйственной деятельностью настолько, что изменена связь природных компонентов. Сюда относятся ландшафты: агрокультурный (сельскохозяйственный) растительность которого в значительной степени заменена посевами и посадками сельскохозяйственных и садовых культур; техногенный структура которого обусловлена техногенной деятельностью человека, связанной с использованием мощных технических средств (нарушение земель, загрязнение промышленными выбросами и т. п.); сюда же входит ландшафт индустриальный, образующийся в результате воздействия на среду крупных промышленных комплексов; городской (урбанистический) с постройками, улицами и парками. Границы географической (ландшафтной) оболочки Земли совпадают с границами биосферы, но поскольку в географическую оболочку входят и участки, где нет жизни, можно условно принимать, что биосфера входит в ее состав. Фактически же это неразрывное единство, о чем свидетельствует и ландшафтный подход при выделении типов природных экосистем. Одним из таких примеров служит классификация по Р. Х. Уиттекеру (табл. 7.1). Таблица 7.1 Первичная биологическая продуктивность экосистем земного шара (по Р. X. Уиттекеру, 1980) 106 107 Главный источник энергии для ландшафтной оболочки солнечная радиациия, как, понятно, и для биосферы. Для биосферы солнечная энергия это, прежде всего, «движитель» биогеохимических циклов биофильных элементов и главный компонент фотосинтеза источника первичной продукции. Как видно из табл. 7.1, продуктивность биосферы складывается из продуктивности различных природных экосистем (одновременно и энергий ландшафтов). Но энергия Солнца, обеспечивая эту продуктивность, составляет лишь 23% от всей его энергии, достигшей поверхности Земли. Остальная солнечная энергия расходуется на абиотическую среду, если не считать достаточно активное участие ее в процессах физико-химического разложения опада и др. Но абиотические факторы определяют вместе с биотическими эволюционное развитие организмов и гомеостаз экосистем. В свою очередь, растительный и животный мир столь мощные природные компоненты, что могут влиять на окружающую среду и «переделать ее под себя», создавая определенную микросреду (микроклимат). Все это свидетельствует о том, что живая природа существует в едином энергетическом поле всего ландшафта. Об этом говорит и распределение первичной продукции на суше и в океане (рис. 7.2). Рис. 7.2. Распределение чистой первичной продукции на Земле: пространственное распределение чистой первичной продукции (г С/м2. год) суши (по Reichle D., 1970); б распределение чистой первичной продукции (г С/м 2. год) в Мировом океане (Koblentz-Mishke et al., 1970) а Как видно из рис. 7.2, продуктивность различных типов экосистем далеко неодинакова и занимают они разные по величине территории на планете. Различия в продуктивности связаны с 108 климатической зональностью, характером среды обитания (суша, вода), с влиянием экологических факторов локального порядка и т. п., сведения о которых излагаются ниже при характеристике природных экосистем как хорологических единиц биосферы, классифицированных на принципах так называемого биомного подхода. По Ю. Одуму (1986), биом «крупная региональная и субконтинентальная экосистема, характеризующаяся каким-либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта». Опираясь на эти представления, Ю. Одум предложил следующую классификацию природных экосистем биосферы (на рис. 7.3 мировое распределение биомов): Рис. 7.3. Мировое распределение основных видов биомов для растительного покрова (Ю. Одум, 1986): низкоширотные леса: 1 тропический дождевой лес; 2 осветленный тропический лес (полулистопадный); 4 кустарники и колючие леса; среднеширотные леса: 3 средиземноморский кустарниковый лес; 5 широколиственные и смешанный широколиственно-хвойные леса; 6 хвойные леса; злаковые сообщества: 7 саванна; 8 прерия; 9 степь (тропические и средние широты); пустыни: 10 кустарниковая и полная; 11 тундра; 12 ледяной покров; 13 недифференцированные высокогорья (по Воронову, 1963) I. Наземные биомы Тундра: арктическая и альпийская. Бореальные хвойные леса. Листопадный лес умеренной зоны. Степь умеренной зоны. Тропические степи и саванны. Чапарраль районы с дождливой зимой и засушливым летом. Пустыня: травянистая и кустарниковая. Полувечнозеленый тропический лес: выраженный влажный и сухой сезоны. Вечнозеленый тропический дождевой лес. II. Типы пресноводных экосистем Лентические (стоячие воды): озера, пруды и т. д. Лотические (текучие воды): реки, ручьи, родники. Заболоченные угодья: болота и болотистые леса. III. Типы морских экосистем Открытый океан (пелагическая). Воды континентального шельфа (прибрежные воды). Районы апвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством). Эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек, соленые марши и т. д.). Как явствует из вышесказанного, биом это экосистема, которая совпадает своими границами с ландшафтами регионального уровня (рис 7.3). Он состоит из тех же компонентов, что и ландшафт, но главный его компонент биота, и основное внимание здесь уделяется процессам, создающим 109 органическое вещество, и биохимическому круговороту веществ. 7.2. НАЗЕМНЫЕ БИОМЫ (ЭКОСИСТЕМЫ) Стабильная экосистема характеризуется равновесным состоянием взаимосвязей между живыми организмами и окружающей физической средой. Всеобщий гомеостаз такой системы позволяет ей противостоять внешнему воздействию в довольно широком диапазоне толерантности по отношению, например, к климатическим факторам, тогда говорят об экосистеме климатического климакса. Климатический климакс является результатом длительной сукцессионной серии экосистемы в данных климатических условиях. Но, как известно, для Земли характерна климатическая зональность, а отсюда и зональность наземных экосистем, климаксная стадия которых будет определяться конкретными климатическими факторами соответствующей зоны. Известно, что кроме горизонтальной зональности (рис. 7.4) климата в масштабе всего земного шара, наблюдается еще и вертикальная или высотная зональность в горных системах. У подножия горных систем климат соответствует данной общегеографической зональности, при движении вверх в горы пояса будут меняться, как при движении с юга на север. «Югом» будет являться климат подножия горной системы (см. рис. 7.4). Рис. 7.4. Схема, показывающая соответствие между последовательными вертикальными и горизонтальными растительными зонами: 1 тропическая зона зона тропических лесов; 2 умеренная зона зона лиственных и хвойных лесов; 3 альпийская зона зона травянистой растительности, мхов и лишайников; 4 полярная зона зона снегов и льдов Тундры характеризуются суровыми условиями для произрастания: вегетационный период всего 22,5 месяца, осадков мало 200300 мм, сильные ветры и даже летом ночью температура падает ниже 0 С, плюс к этому вечная мерзлота на глубине в несколько десятков сантиметров летом, а зимой оттаивающий летом слой промерзает полностью. Но длительный фотопериод и низкая испаряемость значительно снижают лимитирующее действие влажности и света. В тундре отсутствуют деревья и преобладают мхи и лишайники. Кустарники многолетние зимнезеленые для более полного использования светлой части года принимают подушкообразную и стелющуюся формы (кассиопея, брусника, вероника и др.) и такие же формы карликовые растения с опадающими листьями (черника, карликовая береза и т. п.). Продуктивность наземных экосистем тундры значительно ниже ряда других систем, но вместе с океаном они способны прокормить перелетных птиц, насекомых, северных оленей, овцебыков, 110 медведей, волков, песцов и др. Выше границы леса, в высоких горах есть небольшие тундровые зоны, которые являются экологически сходными районами с вышеописанной тундрой. На границе между тундрой и хвойными лесами лежит лесотундра. Это переходная зона (экотон). Но здесь уже произрастают березы, ели, лиственницы и увеличивается количество семенных кормов, а отсюда и разнообразие птиц, мелких грызунов и других возрастает. Бореальные хвойные леса распространены в северной части умеренной климатической зоны (см. рис. 7.3). Это леса северной части умеренного пояса северного полушария с суровыми зимними температурами тайга (см. рис. 7.5, а). Таежные сообщества представлены темнохвойными породами деревьев ель, пихта, сибирская кедровая сосна (сибирский кедр), и светлохвойными лиственница и сосна (преимущественно на песчаных и супесчаных почвах). Строение сообществ темнохвойных лесов довольно простое: два три древесных яруса, ярусы моховой, травяной или травяно-кустарниковый. Затенение значительно, лесная подстилка разлагается медленно. а б Рис. 7.5. Наземные экосистемы: 111 а бореальные хвойные леса (тайга) ельник; б ковыльная степь. Государственный природный заповедник «Ростовский». (В. А. Миноранский, О.Н. Демина. Особо охраняемые территории Ростовской области, Ростов на Дону: Изд-во ООО «Цввр», 2002) Темнохвойные леса отличаются особой микросредой нет ветра, температура выше, чем на открытом месте, много снега зимой, что помогает выживать животному поколению в суровую зиму. Самые крупные животные в тайге: из хищников медведь, волк; из травоядных лось. Большое значение в хвойных лесах имеет семенной фонд и хвоя: семенами питаются птицы, белки, бурундуки и другие мелкие грызуны, а хвоей насекомые. Хвойные леса самые крупные в мире поставщики лесоматериалов. Они весьма продуктивны (см. табл. 7.1, рис. 7.2) несмотря на низкую температуру в течение полугода, так как сплошной зеленый покров, содержащий хлорофил, сохраняется круглый год. Листопадные леса умеренной зоны (широколиственные леса), расположенные южнее тайги, в отличие от нее не имеют сплошного распространения (см. рис. 7.3). Произрастают они в условиях более мягкого климата, с осадками от 700 до 1500 мм/г, с умеренными температурами и четко выраженными сезонами. В основном в листопадных лесах среди древесной флоры доминируют бук и дуб. Благодаря опаду листьев формируется мощная лесная подстилка, позволяющая перезимовать многим беспозвоночным животным. Ярусная структура широколиственных лесов намного сложнее, чем у хвойных: до трех ярусов деревьев (дубравы), двух ярусов кустарников и двух трех ярусов трав. Раскидистая крона, высокая дуплистость деревьев и хорошо выраженная ярусность широколиственных лесов позволяют птицам занимать свои экологические ниши на различных уровнях. Среди насекомых много вредителей, наносящих большой вред лесам. Крупные животные в листопадных лесах, в принципе, те же, что и в тайге: лоси, медведи, рыси, лисицы, волки и др., но намного разнообразнее и богаче орнитофауна. Листопадные леса это те районы суши, где человеческая цивилизация получила наибольшее развитие. Поэтому трудно сейчас найти широколиственные нетронутые леса. Большая их часть заменена культурными сообществами. Биомасса широколиственных лесов близка к биомассе южной тайги (см. табл. 7.1, рис. 7.2). Степи умеренной зоны открытые пространства между лесами и пустынями с количеством осадков от 250 до 750 мм/г, между которыми есть еще переходная зона (экотон) лесостепь. Они занимают обширные пространства в Евразии, в Северной Америке (прерии), на юге Южной Америки (пампасы), в Австралии, Новой Зеландии (туссоки) (см. рис. 7.3). Растительность в степях преимущественно ксерофильного облика (рис. 7.5, б). Преобладают дерновинные злаки (дерновины образуются вследствие скученности стеблей). Много в степи эфемеров, после отмирания наземных частей которых остаются клубни, луковицы, подземные корневища. И, наконец, для степей характерны кустарники, которые поедаются животными. Среди животных в степях распространен парный и реже колониальный образ жизни. Здесь много парных животных (суслики, сурки, полевки и др.). Животные, которые живут не в парах, образуют стада. Главную роль в биоценозе степей играют копытные сайгаки, ранее дикая лошадь тарпан. При умеренном выпасе животные копытами разбивают скопление мертвой листвы на поверхности почвы, что способствует дальнейшему росту трав. При перевыпасе происходит деградация степной растительности и возникает, в конечном итоге, так называемый «толок», когда практически исчезают все многолетние травы, а следом за толоком опустынивание степей растительность сменяется малосъедобными полынями и другими, еще более ксерофильными формами. Почвы степей достаточно резко отличаются от лесных почв и, прежде всего, высоким содержанием гумуса в пять десять раз выше. Злаки, по сравнению с деревьями, живут недолго, и в почву попадает большое количество органики, в результате разложения которой накапливается гумус, так как гумификация идет быстро в сухом климате, а минерализация очень медленно. Так возникают самые плодородные почвы черноземы. На них вырастает наиболее высокая чистая 112 первичная продукция, или урожай, культурных злаков пшеницы, кукурузы и т. д. В луговых степях России биомасса 2500 ц/га, в сухих степях 1000 ц/га. Продуктивность ксерофильных сообществ 100200 ц/га, при возрастании аридности 50100 ц/га (Воронов, 1988). Большая часть степей в настоящее время занята под посевы зерновых культур, культурными пастбищами или древесной растительностью, сохраненной или культивированной человеком. Пустыни травянистые и кустарниковые наибольшие площади занимают в Азии, Африке, Австралии, Северной и Южной Америке, встречаются они и в Европе (чаще в виде экотона полупустыни) (см. рис. 7.3). Главный критерий пустыни выпадение осадков менее 200250 мм/г, а испарение с открытой водной поверхности более 1000 мм/г. Почвы пустынь сероземы и светло-бурые. Пустыни обычно подразделяются по породам, на которых они сформировались: глинистые, солончаковые, песчаные, каменистые. Растения в пустынях представлены весьма ксерофильными травами и полукустарниками, суккулентами, а также множеством эфемеров, которые используют для прорастания только влажные периоды. Растительность разрежена, из-за чего травоядные животные существуют небольшими группами, парами и в одиночку. Стада образуют только животные, способные быстро находить новые участки с кормами (антилопы, некоторые птицы). Животные пустыни по разному адаптированы к нехватке воды: обладают особыми покровами, выделяют сухие экскременты и т. д. Они могут образовывать и сохранять метаболическую воду. Верблюды же приспособлены к повышенной температуре тела, к высокой степени дегидратации тканей, смертельной для других животных. Земледелие в пустынях невозможно без орошения. При орошении с сохранением структуры почвы и при благоприятном содержании питательных веществ, с ее изобилием солнечного света пустыня может стать весьма продуктивной. По размерам фитомассы пустыни разнообразны (см. табл. 7.1, рис.7.2). Чапарраль это территории с мягким, умеренным климатом, где обильные зимние дожди сменяются засушливым летом. Количество осадков здесь 500700 мм, но они выпадают в период теплой зимы. Сообщества чапарраля состоят из деревьев (лавр, вечнозеленые дубы) и кустарников с желтыми толстыми вечнозелеными листьями. Они широко распространены в Средиземноморье, вдоль южного берега Австралии, в Калифорнии и Мексике (см. рис. 7.3). В Австралии в лесах доминируют эвкалиптовые деревья и кустарники. Деревья широко интродуцируются в других местах этих биомов в Калифорнии (США), в Колхидской низменности (Грузия). Тропические степи и саванны это обычно древесно-кустарниковый тип растительности. Они расположены в теплых областях в центральной и восточной Африке, в южной Америке и Австралии, с осадками от 900 до 1500 мм/г, но с одним, иногда двумя сухими сезонами по два шесть месяцев. Температура здесь достаточно высокая круглый год и сезонность определяется только распределением осадков сезоны влажные (дождливые) и сухие (засушливые). Это создает своеобразные условия для существования фауны и флоры. Деревья имеют часто толстую кору с мощным слоем пробки: баобабы, акации, пальмы, древовидные молочаи (экологические эквиваленты кактусов) и др. Травы представлены высокими труднопроходимыми для человека густыми злаками. В период засухи надземная часть злаков высыхает, листья деревьев опадают. Цветут деревья в конце сухого сезона, а с началом дождей распускается листва. Саванна, в особенности африканская, не имеет себе равных по разнообразию и численности популяций копытных антилопы, зебры, жирафы и др. На них охотятся такие хищники, как львы, гепарды и др. Разнообразны птицы, среди которых есть крупные хищники и падальщики (грифы), а также самая крупная из птиц африканский страус. Здесь множество рептилий змей и ящериц, активных в засушливый период, а также насекомых, обилие которых приходится на дождливый сезон. 113 Среди насекомых много кровососущих знаменитая муха цеце и др. В южной Африке обитают насекомые, переносящие возбудителей тяжелых болезней, поражающих центральную нервную систему человека и животных, и других опасных «тропических» болезней. Полувечнозеленые сезонные (листопадные) тропические леса распространены в областях с осадками 8001300 мм/г с продолжительным сухим периодом в четыре шесть месяцев в году. Леса характерны для тропической части Азии, Центральной Америки (см. рис. 7.3). Характерно, что в них доминируют деревья верхнего яруса, которые сбрасывают листья в сухой сезон, соответствующий зимнему периоду. Нижний ярус представлен уже большей частью вечнозелеными деревьями и кустарниками. Из вечнозеленых деревьев в этих лесах хорошо известна пальма. Вечнозеленые тропические дождевые леса расположены вдоль экватора, в зоне, где 20002500 мм/г осадков при достаточно равномерном распределении их по месяцам. Дождевые леса расположены в трех основных областях: 1) крупнейший сплошной массив в бассейне Амазонки и Ориноко в Южной Америке; 2) в бассейнах рек Конго, Нигера и Замбези в Африке и на острове Мадагаскар; 3) Индо-Малайской и островов Борнео Новая Гвинея (см. рис. 7.3). Годовой ход температур в этих областях достаточно ровный, и в ряде случаев снижает сезонные ритмы вообще или сглаживает их. В дождевых тропических лесах деревья образуют три яруса: 1) редкие высокие деревья образуют верхний ярус над общим уровнем полога; 2) полог, образующий сплошной вечнозеленый покров на высоте 2535 м; 3) нижний ярус, который четко проявляется как густой лес лишь в местах просвета в пологе. Травянистая растительность и кустарники практически отсутствуют. Но зато большое количество лиан и эпифитов. Видовое разнообразие растений очень велико на нескольких гектарах можно встретить столько видов, сколько нет во флоре всей Европы (Ю. Одум, 1986). Число видов деревьев по разным учетам различно, но, видимо, достигает 170 и более, хотя трав не более 20 видов. Количество видов межярусных растений (лианы, эпифиты и др.) вместе с травами насчитывает 200300 и более. Влажные тропические леса это достаточно древние климаксные экосистемы, в которых круговорот питательных веществ доведен до совершенства они мало теряются и немедленно поступают в биологический круговорот, осуществляемый мутуалистическими организмами и неглубокими, большей частью воздушными, с мощной микоризой, корнями деревьев. Именно благодаря этому на скудных почвах так пышно растут леса. Не менее разнообразен, чем растительность, и животный мир этих лесов. Большая часть животных, в том числе и млекопитающих, существуют в верхних ярусах растительности. Разнообразие видов животных можно проиллюстрировать такими цифрами: на 15 км2 дождевого леса в Панаме насчитывается 20 тыс. видов насекомых, а на такой же территории на западе Европы их всего несколько сотен. Из крупных животных тропических лесов назовем лишь некоторые, наиболее известные: обезьяны, ягуары, муравьед, ленивец, пума, человекообразные обезьяны, буйвол, индийский слон, павлин, попугаи, кондор, королевский гриф и многие другие. Основной источник питания животных в этих местах плоды и термиты. Многие птицы растительноядные. Для тропического леса характерна высокая скорость эволюции и видообразования. Многие виды вошли в состав более северных сообществ. Поэтому очень важно сохранить эти леса, как «ресурс генов». Влажные тропические леса обладают большой биомассой и самой высокой продуктивностью из биоценозов суши (см. табл. 7.1). Чтобы лес восстанавливался до состояния климакса, требуется длительный сукцессионный цикл. Для ускорения процесса предлагается, например, вырубать его узкими просеками, оставляя, в основном, растения, которые для промышленности ценности не представляют, не нарушая при этом запас биогенов в корневых подушках, и тогда обсеменение с незатронутых участков поможет быстро восстановить лес до первоначального вида. 114 7.3. ПРЕСНОВОДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ Особенности и факторы пресноводных местообитаний Пресные воды на поверхности континентов образуют реки, озера, болота. Человек для своих нужд создает искусственные пруды и крупные водохранилища. Значит, пресные воды могут находиться в текучем и относительно неподвижном стоячем состоянии. Некоторые водоемы могут переходить из одного состояния в другое. В связи с этим пресноводные местообитания подразделяются на: лентические (лат. lentes спокойный) экосистемы озера и пруды стоячие воды; лотические (lotus омывающий) экосистемы родники, ручьи, реки текучие воды; заболоченные участки с колеблющимся уровнем по сезонам и годам марши и болота. В этой классификации не учитываются подземные воды, так как они обычно безжизненны. Составляя весьма малую часть от всех экосистем биосферы, пресноводные экосистемы для человека имеют непреходящее значение вследствие следующих особенностей: 1) пресные воды практически единственный источник для бытовых и промышленных нужд; 2) пресноводные экосистемы представляют собой самую удобную и дешевую систему переработки отходов; 3) уникальность термодинамических свойств воды, способствующих уменьшению температурных колебаний среды. Лимитирующие факторы водной среды температура, прозрачность, течение, соленость и др. Многие животные, живущие в воде стенотермны, вследствие чего опасно даже небольшое тепловое загрязнение среды. Для жизни водоема очень важна прозрачность воды, мерой для которой служит глубина зоны, до которой возможен фотосинтез при проникновении солнечного света. Прозрачность может быть разная от нескольких сантиметров в очень мутных водоемах, до 3040 м в чистых горных озерах. Течение также важный лимитирующий фактор в лотических экосистемах влияет на распространение организмов и содержание газов и солей. Важнейшим лимитирующим фактором в водных экосистемах является концентрация кислорода, чего нельзя сказать о концентрации диоксида углерода, но который часто бывает даже в избытке за счет антропогенного влияния, лимитируя в «максимуме». Лимитирующими из биогенных солей обычно бывают нитраты и фосфаты, иногда ощущается недостаток кальция и других элементов. На численность и расселение водных организмов сказывается пространственное разделение пресных водоемов. Это особенно сказывается на рыбах в разных водоемах одни и те же экологичекие ниши занимают рыбы разных видов. Весьма существенна разница в концентрации солей у гидробионта и в окружающей водной среде, приводящая к осмотическим явлениям на границе организм вода. В зависимости от различий в концентрации солей в рыбе и воде, жидкость в рыбе может быть гипертонична или гипотонична (повышающая или понижающая давление в теле рыбы), и то и другое ведет к гибели животного. Это главная причина, почему пресноводные рыбы не могут жить в море, а морские в реке или пресном озере. Но есть рыбы, способные жить в обеих средах (лосось и др.), поскольку у этих животных есть специальные механизмы осмотической регуляции. Пищевые цепи в водоемах хорошо развиты и представлены организмами всех трофических уровней. Продуценты представлены автотрофами: фото- и хемосинтезирующими микроорганизмами и водными растениями. Консументы полным набором от растительноядных, хищников различных порядков до паразитов и т. д. И, наконец, редуценты (сапротрофы) отличаются значительным разнообразием, которое связано с природой субстрата. Водные организмы с экологических позиций можно классифицировать и по местообитанию в водоеме. Бентос организмы, прикрепленные к дну, живущие в илистых осадках и просто покоящиеся на дне. Перифитон животные и растения прикрепленные к листьям и стеблям водных растений или к другим выступам над дном водоема. Планктон организмы плавают, зоопланктон 115 даже активно может перемещаться сам, но в целом, они перемещаются с помощью течения. Нектон свободно перемещающиеся в воде организмы рыбы, амфибии и т. д. Нейстон плавающие на поверхности или неподвижные организмы. Особое значение имеет распределение организмов по трем зонам водоема (рис. 7.6). Литоральная зона толща воды, где солнечный свет доходит до дна. Лимническая зона толща воды до глубины, куда проникает всего один процент от солнечного света и где затухает фотосинтез. Эвфотической зоной называют всю освещенную толщу воды в литоральной и лимнической зонах. Профундальная зона дно и толща воды, куда не проникает солнечный свет. Рис. 7.6. Три главные зоны в озере В проточных водоемах последние три зоны не выражены, хотя их элементы встречаются. Перекаты мелководные участки с быстрым течением; дно без ила, преимущественно прекрепленные формы перифитона и бентоса. Плесы участки глубоководные, течение медленное, на дне мягкий илистый субстрат и роющие животные. Приведенные выше три экологические классификации имеют важное значение в определении экологического положения того или иного организма в сообществах. Характеристика пресноводных экосистем Лентические экосистемы в литоральной зоне содержат два типа продуцентов: укрепившиеся в дне цветковые растения и плавающие зеленые растения водоросли, некоторые высшие (рдесты) (рис. 7.7). Растения, укрепленные в дне, образуют три концентрические зоны: 1) зона надводной вегетации фотосинтезирующая часть растений (камыши, рогозы и др.) находится над водой, а биогенные элементы извлекаются из донных осадков; 2) зона укрепленных в дне растений с плавающими по воде листьями (кувшинки) у них та же роль, что и у растений первой зоны, но они могут затенять нижние толщи воды; 3) зона подводной вегетации укорененные и прикрепленные растения полностью находящиеся под водой и осуществляющие фотосинтез и минеральный обмен в водной среде (рдесты и прикрепленные водоросли харовые). 116 Рис. 7.7. Некоторые продуценты лентических сообществ; прибрежные растения, укореняющиеся в дне водоема (17), нитчатые водоросли (89) и фитопланктон (1020) Животные, консументы, более разнообразны в литорали, чем в других зонах водоема. Перифитон представлен моллюсками, коловратками, мшанками, личинками насекомых и др. Многие животные нектона дышат кислородом атмосферного воздуха (лягушки, саламандры, черепахи и др.). Рыбы большую часть жизни проводят в литорали и здесь же размножаются. Зоопланктон представлен ракобразными, имеющими большое значение для питания рыб (дафнии и др.). В сообществах лимнической зоны продуцентом является фитопланктон. В водоемах умеренного пояса плотность его популяции заметно изменяется по сезонам. Весной «цветение» связано с массовым развитием приспособленных к прохладной воде диатомитовых водорослей, летом зеленых, осенью азотфиксирующих синезеленых водорослей. Зоопланктон представлен растительноядными ракоообразными и коловратками, все другие хищники. Нектон лимнической зоны это только рыбы. Сообщества профундальной зоны существуют без света. Фауна и флора здесь в зоне поверхностного раздела вода ил, где накапливается органический материал, представлена бактериями и грибами (редуценты), а также бентосными формами личинками насекомых, моллюсками, кольчатыми червями (консументами). Количество красных кольчатых червей возрастает с ростом загрязнения водоема сточными водами, т. е. по этому показателю можно судить о степени загрязнения водоема. Действие на сообщества стоячих водоемов таких лимитирующих факторов, как содержание кислорода, температуры и освещенности, зависит от специфических особенностей этих водоемов озер, прудов, искусственных водохранилищ. Озера естественные пресноводные водоемы (см. рис. 7.9), образовались геологически 117 сравнительно недавно за последние несколько десятков тысяч лет, и лишь возраст некоторых из них исчисляется миллионами лет, например, Байкала. Наличие у большинства озер профундальной зоны сказывается на температурном режиме водной толщи, на ее «перемешивании» и распределении кислорода в ней. Эти процессы сезонны, как и стратификация озера по температурному режиму (рис. 7.8). Рис. 7.8. Температурная стратификация в озере умеренной зоны Северного полушария (оз. Линсли, Коннектикут, США, по Ю. Одуму, 1975) В озерах умеренного пояса в летнее время можно выделить в вертикальном разрезе три зоны: эпилимнион до глубины, где происходит конвекция (циркуляция) воды; термоклина это промежуточная зона, где вода не смешивается с водой верхней зоны; гиполимнион область холодной воды, где нет циркуляции. Термоклина обычно расположена ниже границы проникновения света, и запасы кислорода, в отрезанном от его источников гиполимнионе, истощаются. Наступает летний период стагнации. Осенью, вследствие выравнивания температур, происходит общее перемешивание воды и обогащение гиполимниона кислородом. Зимой, когда температура воды под льдом становится ниже плюс 4 С, что снижает ее плотность и снова приводит к стратификации озера и к зимней стагнации. Весной, после таяния льда, температура воды достигает плюс 4 С, она тяжелеет и снова происходит весеннее перемешивание. Это классическая схема для водоемов Евразии и Северной Америки. В полярных областях и субтропиках перемешивание бывает только один раз в году: в первом случае летом, во втором зимой. В водоемах тропиков перемешивание воды идет постоянно, но медленно, а общее перемешивание происходит редко и нерегулярно. Цветение фитопланктона обычно приурочено к перемешиванию, когда в эвфотической зоне появляются воды, обогащенные природными биогенными компонентами. С точки зрения продуктивности озера подразделяются на две группы: 1) олиготрофные (малокормные) и 2) эвтрофные (кормные). Продуктивность лентических экосистем зависит также от поступающих веществ с окружающей суши и от глубины озера (наиболее продуктивны мелкие озера). Пруды обладают хорошо развитой литоралью и практическим отсутствием стратификации, образуются они в различных понижениях, часто временно пересыхают летом или в засушливые годы. Фауна прудов способна переживать сухие периоды в покоящемся состоянии или перебираться в другие водоемы (земноводные). Естественные пруды высокопродуктивны. В искусственных прудах, в основном, человек сам подкармливает рыб. Водохранилища (см. рис. 7.9) создаются человеком при возведении гидроэнергетических и гидромелиоративных комплексов. Это уже не природная экосистема, а природно-техническая 118 система. Распределение тепла и биогенов в ней зависит от типа плотины. Если вода сбрасывается придонная, то в этом случае водохранилище аккумулирует тепло и экспортирует биогенные вещества, если сброс идет поверх плотины, то экспортируется тепло и аккумулируются биогены. В первом случае спускается вода гиполимниона, во втором эпилимниона. Через глубоководные шлюзы в реку поступает и более соленая вода, а биогены вызывают эвтрофикацию участка реки. Рис. 7.9. Пресноводные экосистемы Лотические экосистемы реки (см. рис. 7.9) отличаются от стоячих водоемов тремя условиями: 1) течение важный лимитирующий и контролирующий фактор; 2) обмен между водой и сушей значительно более активен; 3) распределение кислорода более равномерно, так как практически отсутствует стратификация. Скорость течения влияет на распределение рыб в реках они могут жить и под камнями, и в заводях, под перекатами, но это будут разные виды, адаптированные к конкретным условиям. Река открытая экосистема, в которую поступает с прилегающих пространств большое количество органического вещества. Детритное питание основа трофических цепей лотических экосистем: более 60% энергии консументы получают от привнесенного материала. Зато кислорода в реках достаточно и содержание его в воде постоянно, что обусловило узкую толерантность организмов по отношению к кислороду. Выделяют лотические сообщества перекатов и плесов. На перекатах поселяются организмы, способные прикрепиться к субстрату (нитчатые водоросли), или хорошие пловцы (форель). На участках плеса сообщества напоминают прудовые. В больших реках прослеживается продольная зональность: в верховьях сообщества перекатов, в низовьях и дельте плесов, между ними местами могут возникать и те и другие. 119 Продольная зональность подчеркивается изменениями видового состава рыб. К низовьям видовой состав обедняется, но увеличиваются размеры рыб. Заболоченные пресноводные участки, обычно собственно болота (см. рис. 7.9) низинные и верховые. Низинные имеют, как правило, питание подземными водами, а верховые атмосферными осадками. Верховые могут встречаться в любом понижении или даже на склонах гор, низинные возникают вследствие зарастания озер и речных стариц. Они покрыты водными макрофитами, болотными растениями и кустарниками. Болотные почвы и торфяники содержат много углерода (1420%), сельскохозяйственная отработка которых приводит к выделению в атмосферу большого количества углекислого газа, что усугубляет «CO2-проблему». 7.4. МОРСКИЕ ЭКОСИСТЕМЫ Особенности и факторы морской среды Морская среда занимает более 70% поверхности земного шара. В отличие от суши и пресных вод она непрерывна. Глубина океана огромна (см. рис. 7.10). Жизнь в океане во всех его уголках, но наиболее она богата вблизи материков и островов. В океане практически отсутствуют абиотические зоны, несмотря на то, что барьерами для передвижения животных являются температура, соленость, глубина. Благодаря постоянно действующим ветрам пассатам, в океанах и морях происходит постоянная циркуляция воды за счет мощных течений (Гольфстрим теплое, Калифорнийское холодное и др.), что исключает дефицит кислорода в глубинах океана. Наиболее продуктивны в Мировом океане области апвеллинга. Апвеллинг это процесс подъема холодных вод с глубины океана там, где ветры постоянно перемещают воду прочь от крутого материкового склона, взамен которой поднимается из глубины вода, обогащенная биогенами. Там, где нет этого подъема, биогенные элементы из погрузившихся органических остатков на длительное время теряются в донных отложениях. Высокопродуктивны и богаты биогенами, за счет привноса их с суши, воды эстуариев. Ю. Одум (1975) называет это явление аутвеллингом (см. табл. 7.1, рис. 7.2). В прибрежной зоне весьма велика роль приливов, вызванных притяжением Луны и Солнца. Они обуславливают заметную периодичность в жизни сообществ («биологические часы»). Соленость это содержание солей в воде, выраженное в весовых частях на 1000 частей воды (в промилях), либо в граммах на литр, или процентах. Средняя соленость океана 35 г/л. Около 25% в ней приходится на долю хлористого натрия, остальные соли кальция, магния и калия (сульфаты, карбонаты, бромиды и др.), десятки других элементов составляют менее 1%. Для морских водоемов характерна устойчивая щелочная среда рН 8,2, но соотношение солей и сама соленость изменяются. В воде солоноватых заливов устьев рек прибрежной зоны, в целом снижаясь, величина солености значительно колеблется по сезонам года. Поэтому организмы в прибрежной зоне эвригалинны, в то время как в открытом океане стеногалинны. Биогенные элементы важный лимитирующий фактор в морской среде, где их содержится в нескольких частях на миллиард частей воды. К тому же время пребывания их в воде вне организмов намного короче, чем натрия, магния и др. Биогенные элементы быстро перехватываются организмами, попадая в их трофические цепи, практически не достигнув гетеротрофной зоны (биологический круговорот). Значит, низкая концентрация биогенных элементов еще не говорит об их всеобщем дефиците. Главным фактором, который дифференцирует морскую биоту, является глубина моря. На рис. 7.10 схематически изображен профиль дна и разрез водной толщи океана. 120 Рис. 7.10. Горизонтальная и вертикальная зональность в океане (Хизен, Трап и Юнг, 1959, поперечный разрез в районе Западной Атлантики) Материковый шельф резко сменяется материковым склоном, плавно переходит в материковое подножие, которое опускается ниже к ровному ложу океана абиссальной равнине. Этим морфологическим частям океана примерно соответствуют следующие зоны: неритическая шельфу (в пределах которой есть литораль, соответствующая приливно-отливной зоне), батиальная материковому склону и его подножию; абиссальная области океанических глубин от 2000 до 5000 м. Абиссальная область разрезается глубокими впадинами и ущельями, глубина которых более 6000 м. Область открытого океана за пределами шельфа называют океанической. Так же как и в пресноводных лентических экосистемах, все население океана делится на планктон, нектон, бентос. Планктон и нектон, т. е. все, что живет в открытых водах, образует так называемую пелагическую зону. Самая верхняя часть океана, куда проникает свет и где создается первичная продукция, называется эвфотической. Ее мощность в открытом океане доходит до 200 м, а в прибрежной части не более 30 м. По сравнению с километровыми глубинами, это зона достаточно тонкая и отделяется компенсационной зоной от значительно большей водной толщи, вплоть до самого дна афотической зоны. Биотические сообщества каждой из указанных зон, кроме эвфотической, разделяются на бентосные и пелагические. В них к первичным консументам относятся зоопланктон; насекомых в море экологически заменяют ракообразные. Подавляющее число крупных животных хищники. Для моря характерна очень важная группа животных, которую называют сессильными (прикрепленными). Их нет в пресноводных системах. Многие из них напоминают растения и отсюда их названия, например, морские лилии. Здесь широко развиты мутуализм и комменсализм. Все животные бентоса в своем жизненном цикле проходят пелагическую стадию в виде личинок. Характеристика морских экосистем Область континентального шельфа, неритическая область, если ее площадь ограничить глубиной до 200 м, составляет около восьми процентов площади океана (29 млн км2) и является самой богатой в фаунистическом отношении в океане. Прибрежная зона благоприятна по условиям питания, даже в дождевых тропических лесах нет такого разнообразия жизни, как здесь. Очень богат кормом планктон за счет личинок бентосной фауны. Личинки, которые остаются несъеденными, оседают на субстрат и образуют либо эпифауну (прикрепленную), либо инфауну (закапывающуюся). Области апвеллинга расположены вдоль западных пустынных берегов континентов. Они богаты рыбой и птицами, живущими на островах. Но при изменении направления ветра происходит 121 спад «цветения» планктона и наблюдается массовая гибель рыб вследствие развития бескислородных условий (эвтрофикация). Лиманы это полузамкнутые прибрежные водоемы, они представляют собой экатоны между пресноводными и морскими экосистемами. Лиманы обычно входят в литоральную зону и подвержены приливам и отливам. Лиманы высокопродуктивны (см. табл. 7.1). Они являются ловушками биогенных веществ. На протяжении круглого года активны автотрофы: макрофиты (болотные и морские травы, водоросли), донные водоросли, фитопланктон. Лиманы служат для откорма молоди, богаты целым комплексом морепродуктов (рыба, крабы, креветки, устрицы и т. п.). Попадая в сферу хозяйственной деятельности человека, они могут потерять свою продуктивность вследствие загрязнения водной среды. Океанические области, эвфотическая зона открытого океана, бедны биогенными элементами. И в известной степени можно считать эти воды «пустынями» по сравнению с прибрежными. Арктические и антарктические зоны намного продуктивнее, так как плотность планктона растет при переходе от теплых морей к холодным и фауна рыб и китообразных здесь значительно богаче. Фитопланктон является первичным источником энергии в пищевых цепях пелагической области продуцентом. Крупные животные и, прежде всего, рыбы здесь являются преимущественно вторичными консументами, питающимися зоопланктоном. Продуцентом для зоопланктона являются как фитопланктон, так и планктонные личинки моллюсков, морских лилий и т. п. Видовое разнообразие фауны снижается с глубиной, и, тем не менее, разнообразие рыб в абиссальной зоне велико, несмотря на то что она практически лишена продуцентов. Рыбы имеют причудливую форму (рис. 7.11), большие рты и растягивающиеся животы и т. п. все приспособлено к глотанию пищи любого размера в полной темноте. Разнообразие же связано со стабильностью условий в абиссальной зоне в течение длительного геологического времени, что замедлило эволюцию и сохранило многие виды из далеких геологических эпох. Рис. 7.11. Некоторые рыбы представители абиссали (по Р. Бертэну): 1 Stomias; 2 Argyropelecus; 3 Gonostoma; 4 Malacosteus; 5 Idiacanthus; 6 Chauliodus Экосистемы глубоководных рифтовых зон океана находятся на глубине около 3000 м и 122 более, в сплошной темноте, где невозможен фотосинтез, преобладает сероводородное загрязнение, есть выходы горячих подземных вод, высокие концентрации ядовитых металлов, живые организмы здесь представлены гигантскими червями (погонофорами), живущими в трубках, крупными двустворчатыми моллюсками, креветками, крабами и отдельными экземплярами рыб. Продуцентами здесь выступают сероводородные бактерии, живущие в симбиозе с моллюсками. Хищники представлены крабами, брюхоногими моллюсками и некоторыми рыбами. Океан является колыбелью жизни на планете, и еще множество загадок хранят его водные толщи и океаническое ложе. Появление жизни в океане более трех миллиардов лет тому назад положило начало формированию биосферы. И, сейчас, занимая более 70% поверхности Земли, он определяет во многом, в сочетании с материковыми экосистемами, целостность современной биосферы Земли. 7.5. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЦЕЛОСТНОСТЬ БИОСФЕРЫ Целостность любой сложной системы, например, организма, популяции, биотических сообществ, есть обобщенная характеристика этой системы или объекта (см. главу 5). Закон целостности биосферы можно сформулировать так: биогенный ток атомов между компонентами биосферы связывает их в единую материальную систему, в которой изменение даже одного звена влечет за собой сопряженное изменение всех остальных. Следовательно, целостность биосферы обусловлена непрерывным обменом вещества и энергии между ее составными частями. Представление о целостности обусловлено глубиной предшествующих познаний об объекте. Так, с экологических позиций представления о целостности организма или индивидума с большей полнотой можно говорить, рассматривая его на популяционном уровне, а наиболее целостные представления об экологических особенностях популяций можно выявить только на основе их взаимоотношений в биоценозе. Если рассматривать эту цепочку дальше, то окажется, что нельзя получить достаточно целостную картину о взаимоотношении сообществ, если не изучать биоценоз в одной системе с биотопом, т. е. мы придем к системе с еще большей экологической информацией биогеоценозу или экосистеме и т. д. Характеристика природных экосистем, приведенная выше, показывает, что экосистемы и ландшафты представляют в целом единое энергетическое поле, а это значит: целостность биосферы это и целостность ландшафтной оболочки Земли и, соответственно, наоборот, целостность ландшафтной оболочки обеспечивает и целостность биосферы. Изменения в общей энергетике ландшафта, например, изменение количества осадков и температуры, влечет за собой и сопряженные изменения всех звеньев в биосферной его части возникает цепная реакция. Примером действия закона целостности являются процессы, происходящие в экосистемах пустыни Атакама и прилегающей к ней части океана. Пустыня Атакама находится на западном побережье Южной Америки и пустынность ее обусловлена холодным Перуанским течением (количество осадков 1050 мм/г). Холодные же океанские воды (зона апвеллинга) богаты фито- и зоопланктоном и, конечно рыбой, но, примерно, один раз в 812 лет от экватора начинает распространяться теплое течение Эль-Ниньо. Приход этих бедных кислородом малопродуктивных вод приводит к катастрофическому изменению экосистемы: рыба (анчоусы), которую здесь вылавливают до 12 млн т/г, практически исчезает (улов падает до 1,8 млн т), морские птицы, питающиеся рыбой, гибнут или улетают. Особенно отрицательное влияние на морских животных оказало Эль-Ниньо в 1982 г.: в районе Галапагосских островов на 3040% сократилось количество птиц, галапагосских пингвинов на 78%, почти полностью погибли морские котики. В этот же период над пустыней Атакама разражаются тропические ливни, вызывающие мощные наводнения, появляются растения-эфемеры и масса насекомых. Пустыня «цветет». Такое состояние может продолжатся три четыре и даже до пяти шести месяцев, но затем снова теплое течение Эль123 Ниньо отодвигается к экватору, в район Галапагосских островов, а холодное Перуанское занимает свое обычное место. И все природные процессы развиваются в обратном направлении. Изучение этого явления в течение многих десятилетий показало, что оно влияет на значительно большую часть биосферы выпадение осадков в Атакаме приводит к засухе, например, в Судане, Эфиопии. Все это показывает, что при решении практических задач рационального природопользования, необходимо учитывать закон целостности. Наиболее ярким примером несоблюдения закона целостности служит деградация экосистемы Приаралья. Но в отличие от приведенного примера, опустынивание Приаралья и обмеление Аральского моря процессы не циклические и не природные, а практически необратимые антропогенные (ациклические). Такие примеры глобального воздействия на биосферу человека далеко не единичны, и, в результате, антропогенные ландшафты, по различным данным, занимают около половины или даже более половины территории суши. Ландшафтная оболочка Земли эволюционировала вместе с эволюцией земной коры, но вместе с тем ее облик это результат эволюции биосферы в целом. Именно эволюции биосферы мы обязаны богатейшим разнообразием живой природы и самому существованию человечества. Контрольные вопросы 1. Что такое ландшафт и в чем суть ландшафтного подхода в экологии? 2. В чем отличие природных ландшафтов от антропогенных? Приведите классификацию ландшафтов. 3. Что такое биомы и как они взаимосвязаны с ландшафтами? Приведите классификацию биомов по Ю. Одуму. 4. Какие основные признаки лежат в основе выделения биомов? Дайте характеристику основным наземным биомам. 5. Почему пресноводные экосистемы имеют для человека непреходящее значение? 6. В чем состоят особенности пресноводных местообитаний и как классифицируются гидробионты по этому признаку? 7. Какое влияние оказывают на жизнь водоемов сезонные явления: стратификация озер и перемешивание воды в них? 8. От чего зависит распределение биогенных веществ в водохранилище? 9. Какими экологическими условиями отличаются реки от стоячих водоемов? 10. Какими особенностями морская среда отличается от пресноводной? 11. Каковы экологические особенности морских экосистем? 12. Чем обусловлена целостность биосферы? Сформулируйте закон целостности биосферы. 13. Почему возникает цепная реакция в биосфере? 14. К чему приводят циклические и ациклические процессы в биосфере? 124 ГЛАВА 8. ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ И ФАКТОРЫ ЕЕ УСТОЙЧИВОСТИ 8.1. ОСНОВЫ УЧЕНИЯ В. И. ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ По современным представлениям, биосфера это особая оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Эти представления базируются на учении В. И. Вернадского (18631945) о биосфере, являющимся крупнейшим из обобщений в области естествознания в ХХ в. Важнейшая значимость его учения во весь рост проявилась лишь во второй половине прошлого века. Этому способствовало развитие экологии и, прежде всего, глобальной экологии, где биосфера является основополагающим понятием. Учение В. И. Вернадского о биосфере это целостное фундаментальное учение, органично связанное с важнейшими проблемами сохранения и развития жизни на Земле, знаменующее собой принципиально новый подход к изучению планеты как развивающейся саморегулирующейся системы в прошлом, настоящем и будущем. По представлениям В. И. Вернадского, биосфера включает живое вещество (т. е. все живые организмы), биогенное (уголь, известняки, нефть и др.), косное (в его образовании живое не участвует, например, магматические горные породы), биокосное (создается с помощью живых организмов), а также радиоактивное вещество, вещество космического происхождения (метеориты и др.) и рассеяные атомы. Все эти семь различных типов веществ геологически связаны между собой. Сущность учения В. И. Вернадского заключена в признании исключительной роли «живого вещества», преобразующего облик планеты. Суммарный результат деятельности за геологический период времени огромен. По словам В. И. Вернадского «на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». Именно живые организмы улавливают и преобразуют лучистую энергию Солнца и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Вторым главнейшим аспектом учения В. И. Вернадского является разработанное им представление об организованности биосферы, которая проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого, взаимной приспособляемости организма и среды. «Организм, писал В. И. Вернадский, имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена и к нему» (Вернадский В. И., 1934). В. И. Вернадский обосновал также важнейшие представления о формах превращения вещества, путях биогенной миграции атомов, т. е. миграции химических элементов при участии живого вещества, накоплении химических элементов, о движущих факторах развития биосферы и др. Важнейшей частью учения о биосфере В. И. Вернадского являются его представления о ее возникновении и развитии. Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции (табл. 8.1) в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов. Первые формы жизни, по-видимому, были представлены анаэробными бактериями. Однако созидательная и преобразующая роль живого вещества стала осуществляться лишь с появлением в биосфере фотосинтезирующих автотрофов цианобактерий и синезеленых водорослей (прокариотов), а затем и настоящих водорослей и наземных растений (эукариотов), что имело решающее значение для формирования современной биосферы. Деятельность этих организмов привела к накоплению в биосфере свободного кислорода, что рассматривается как один из важнейших этапов эволюции. Таблица 8.1 Эволюция биосферы и ее основных составляющих (по Ф. Рамаду, 1981) 125 126 Параллельно развивались и гетеротрофы и, прежде всего животные. Главными датами их развития являются выход на сушу и заселение материков (к началу третичного периода) и, наконец, появление человека. В сжатом виде идеи В. И. Вернадского об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим образом: 1. Вначале сформировалась литосфера предвестник окружающей среды, а затем после появления жизни на суше биосфера. 2. В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались азойные геологические эпохи (т. е. лишенные жизни). Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох. 3. Живые организмы главный фактор миграции химических элементов в земной коре, «по крайней мере 90% по весу массы ее вещества в своих существенных чертах обусловлено жизнью» (Вернадский В. И., 1934). 4. Грандиозный геологический эффект деятельности организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени. 5. Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества. Венцом творчества В. И. Вернадского стало учение о ноосфере, т. е. сфере разума. В целом учение о биосфере В. И. Вернадского заложило основы современных представлений о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы. Практическое значение учения о биосфере огромно. В наши дни оно служит естественнонаучной основой рационального природопользования и охраны окружающей природной среды. 8.2. ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ И ЕЕ БИОРАЗНООБРАЗИЕ В относительно короткие промежутки развития экосистем (сукцессий), и в долговременной эволюции таких экосистем, как биосфера, на протекающие в них процессы оказывают влияние: 1) аллогенные (внешние) факторы, такие как геологические и климатические; 2) автогенные (внутренние) процессы, обусловленные только живым компонентом. Благодаря действию и взаимодействию этих факторов сформировалось биологическое разнообразие на внутривидовом, межвидовом и на биосферном уровнях. Основа устойчивости биосферы (экосферы) разнообразие составляющих ее экосистем. Данные космохимии метеоритов и астероидов свидетельствуют о том, что образование органических соединений в Солнечной системе на ранних стадиях ее развития было типичным и массовым явлением (Войткевич, Вронский, 1996). Простейшие анаэробы, из которых состояли первые на Земле экосистемы, образовались из этих органических веществ и, возможно, других, синтезируемых под действием мощного ультрафиолетового излучения. Тогда еще не было кислорода в атмосфере и, следовательно, озонового слоя, который сейчас является преградой для этого излучения. Указанные выше простейшие анаэробы (дрожжеподобные) возникли более 3,5 млрд лет назад, жизнь в это время в бескислородной атмосфере могла существовать только под защитой слоя воды от ультрафиолетового излучения. Питались эти простейшие биофильными веществами, которые содержались в избытке в горячих источниках мелких водоемов. Питательные же органические вещества для этих простейших создал космический синтез. Таким образом, древнейшая биосфера возникла в гидросфере, существовала в ее пределах и носила гетеротрофный характер. Но закон «всюдности жизни» диктовал свои условия и размножающиеся организмы осуществляли экспансию в различные области обитания. Экспансия и «давление» отбора, обусловленные еще и скудностью пищи, в конечном итоге, привели к возникновению фотосинтеза 3,5 млрд лет назад (см. табл. 8.1). 127 Первыми автотрофами стали прокариоты синезеленые водоросли и, возможно, цианобактерии. Затем, 1,52 млрд лет тому назад, появились первые одноклеточные эукариоты и, в результате изначального господства r-отбора, произошел мощный популяционный взрыв автотрофных водорослей, что привело к избытку в воде кислорода и к его выделению в атмосферу. Произошел переход восстановительной атмосферы в кислородную, что способствовало развитию эукариотических организмов и появлению многоклеточных около 1,4 млрд лет назад. В начале кембрийского периода, примерно 600 млн лет назад, содержание кислорода в атмосфере достигло 0,6%, а затем произошел новый эволюционный взрыв появились новые формы жизни губки, кораллы, черви, моллюски. Уже к середине палеозоя содержание кислорода впервые стало близко к современному, и к этому времени жизнь не только заполнила все моря, но и вышла на сушу. Растительный покров, достаточное количество кислорода и питательных веществ в дальнейшем привели к возникновению таких крупных животных, как динозавры, млекопитающие и, наконец, человека. Но, несмотря на обилие автотрофов, в конце палеозоя, примерно 300 млн лет назад, произошло падение содержания кислорода в атмосфере до 5% от современного уровня и повышение содержания углекислого газа. Это привело к изменению климата, снижению интенсивности процессов размножения и, как следствие, к бурному накоплению массы отмерших органических веществ, что создало запасы ископаемого топлива (каменный уголь, нефть). Затем содержание кислорода стало снова повышаться и с середины мелового периода, примерно 100 млн лет назад, отношение O2/CO2 близко к современному, хотя и испытывало колебания в определенных пределах. Такое состояние легко изменить. Например, человек, создав избыток CO2, может сделать это неустойчивое равновесие еще более нестабильным. Из истории развития атмосферы ясно, что человек абсолютно зависим от других организмов, населяющих среду, в которой он обитает. Только от их жизнедеятельности и от их разнообразия зависит стабильность атмосферы и, следовательно, биосферы. Ю. Одум (1975) считает, что «с экологической точки зрения эволюцию биосферы, по-видимому, можно сравнить с гетеротрофной сукцессией, за которой последовал автотрофный режим». Но до сих пор, несмотря на четыре миллиарда лет эволюции, таксономический состав систем еще не стабилизировался. Биоразнообразие экосферы продолжает совершенствоваться за счет большого резерва в эволюции сообществ. На этом уровне ведущая роль принадлежит сопряженной эволюции и групповому отбору. Сопряженная эволюция, или коэволюция, рассматриваемая нами на внутри- и межвидовом уровнях, отличается тем, что при ней обмен генетической информацией минимален. На уровне сообществ можно рассматривать селективные воздействия между группами организмов, находящихся в экологическом взаимодействии: растения и растительноядные животные, крупные организмы и мелкие симбионты, паразит хозяин, хищник жертва и т. д. Особенно интересна сопряженность эволюции растений и насекомых фитофагов. Она приводит к тому, что растения синтезируют побочные вещества, совершенно не нужные для их роста и развития, но необходимые для защиты от насекомых фитофагов. Эта способность растений, видимо, развивает у них устойчивость к инсектицидам. В естественных условиях растения и фитофаги, которые тоже приспосабливаются к их защите, эволюционируют вместе. Здесь работает «генетическая обратная связь», которая ведет к высокому разнообразию растений (например, в тропиках), к гомеостазу популяций и сообществ внутри экосистемы. Групповой отбор это естественный отбор в группах организмов, но не обязательно связанных тесными мутуалистическими связями. Это весьма сложное и во многом спорное явление. Но в первом приближении он представляет собой подобие отбора генотипов в популяции, но вымирают не отдельные генотипы, а целые популяции и, с другой стороны, получают развитие новые популяции, для которых эти условия более благоприятны. Групповой отбор тоже увеличивает разнообразие и устойчивость сообществ. 128 Сопряженная эволюция и групповой отбор повышают биоразнообразие экосистем, устанавливают определенные взаимоотношения между ними как между наземными, так и водными, и даже между обоими типами. Все это в целом ведет к повышению устойчивости биосферы как глобальной экосистемы. Человек, став мощным геологическим фактором, оказывает глобальное воздействие на биосферу. Биосфера, со своей стороны, диктует ему свои экологические законы, которые он вынужден соблюдать, чтобы выжить. Создаются условия, очень напоминающие сопряженную эволюцию, или коэволюцию человек биосфера. Продуктом такой коэволюции может стать так называемая ноосфера, т. е. сфера разума. 8.3. БИОТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Эволюция биосферы свидетельствует, что при любом воздействии на биосферу природном или антропогенном ее гомеостаз обеспечивается за счет сохранения биологического разнообразия. Отсюда очевидно, что экологические условия есть продукт взаимодействия биоты и окружающей среды, и лишь правильная оценка этого взаимодействия позволяет разработать достоверные методологические подходы к сохранению или даже к улучшению экологической обстановки в случае ее нарушения на всех экосистемных уровнях, вплоть до глобального. Исследуя проблемы биологической регуляции окружающей среды, В. В. Горшков, В. Г. Горшков, В. И. Данилов-Данильян и др. (1999) отметили, что в настоящее время в экологической науке известны две основные концепции взаимодействия биоты и окружающей среды. Согласно первой концепции традиционной окружающая среда пригодна для жизни в силу уникальных условий на поверхности Земли, а естественная биота приспосабливается к любой окружающей среде благодаря главному свойству жизни способности к эволюции и непрерывной адаптации к меняющимся условиям среды. При этом любые виды организмов, способные адаптироваться к окружаюшей среде и производить наибольшее количество потомков, могут составлять земную биоту. Согласно традиционной концепции изменение окружающей среды под воздействием человека это определенный этап естественного эволюционного процесса превращения биосферы в новую глобальную биосистему, а природное биоразнообразие генетический ресурс человека, который следует сохранять лишь в заповедниках, зоопарках и генных банках. При этом безостановочный экономический рост возможен лишь за счет непрерывного расширения использования ресурсов биосферы. По мнению В. В. Горшкова и др. (1999), в традиционной концепции практически игнорируются экологические ограничения на численность популяций биологических видов (в том числе человека), а также причины образования естественных сообществ и их среды обитания. Во второй концепции основная роль отводится биотической регуляции окружающей среды. Биота Земли рассматривается как единственный механизм пригодных для жизни условий окружающей среды в локальных и глобальных масштабах. В случае прекращения регулирующего воздействия биоты физически неустойчивая окружающая среда быстро перейдет (примерно за 10 тыс. лет) в устойчивое состояние, как на Марсе или Венере, где жизнь невозможна. В этой концепции главным свойством жизни считается способность видов к поддержанию тех условий окружающей среды, которые пригодны для существования биоты на любом экосистемном уровне, а не способность к непрерывной адаптации к изменяющимся условиям среды. Биотическая регуляция окружающей среды возможна в результате скореллированного взаимодействия между организмами и средой, которая подобна скореллированности клеток и органов внутри многоклеточного организма. Работу по обеспечению поддержания окружающей среды выполняют виды с оптимальной, а не с максимальной численностью. Именно они образуют сообщества и составляют земную биоту, обеспечивая стационарность численности особей, регулярность популяционных колебаний видов и предотвращают популяционные взрывы, разрушающие 129 сообщества. Переход любого вида к максимальному количеству потомков, относится к генетическому отклонению от нормы, и они немедленно вытесняются из популяции. Механизм отбора в этом случае конкурентное взаимодействие однородных сообществ. При переходе окружающей среды в новое состояние (например, изменение восстановительной атмосферы на окислительную) обязательно происходит существенная перестройка биоты. Но перестройка осуществляется без потери биотой способности предотвращать переход среды в состояние, непригодное для существования любой биоты. Это связано с тем, что существует несколько условий окружающей среды, пригодных для жизни, а эволюционирующая биота способна перебирать все приемлемые для жизни условия. Жизнь на Земле существует около 4 млрд лет, причем альтернативность вышеописанных концепций сохраняется на протяжении всего этого периода. Но за этот период изменился диапазон условий, пригодных для жизни, от локальных до глобальных масштабов. Это значит, что жизнь все это время изменяла окружающую среду в благоприятном для себя направлении, т. е. биотическая регуляция среды имела место с самого момента возникновения жизни. Существование биотической регуляции окружающей среды доказывается рядом факторов, важнейшими из которых являются следующие (Горшков и др., 1999): 1. Выбросы неорганического углерода из земных недр в атмосферу с огромной точностью соответствуют содержанию органического углерода в осадочных породах, что обеспечивает практически постоянное содержание неорганического углерода в атмосфере в течение сотен миллионов лет. 2. Концентрация биогенных элементов (C, N, P, O2) в океане сформирована и поддерживается биотой, о чем свидетельствует отношение C/N/P/O2, совпадающее с таковым при синтезе органического вещества. 3. Круговорот воды на суше также определяется биотой, так как 2/3 осадков связано с испарением воды на суше, в котором доминирующая роль принадлежит биоте. 4. Незатронутая деятельностью человека биота океана поглощает избыток диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу человеком, т. е. действует в соответствии с отрицательными обратными связями, в то время как измененная человеком биота суши утратила эту способность. 5. Биотой океана поддерживается концентрация диоксида углерода в океане в три раза меньше, чем если бы ее воздействие отсутствовало, так как потеря органического углерода океаном в атмосферу компенсируется поступлением в океан органического углерода. Биотическая регуляция исключает адаптацию, и наоборот. Адаптационные процессы связываются со способностью выживания организмов в определенных условиях, а если условия не меняются нет и адаптации. При отсутствии адаптации биоты к искаженным условиям среды, разрушение биотической регуляции обратимо. После прекращения антропогенного возмущения происходит восстановление аборигенных сообществ, содержащих правильную информацию о нормальных условиях среды и способах их регуляции путем уже описанных выше сукцессионных процессов (см. гл. 5). Таким образом, биотическая регуляция окружающей среды это механизм управления окружающей средой, основанный на отобранных в процессе эволюции видах, содержащих необходимую для управления средой генетическую информацию. Возможность выживания человечества состоит в восстановлении естественной биоты на территориях, достаточных для сохранения ее способности к регуляции окружающей среды в глобальных масштабах. Главной экологической задачей человечества должно считаться сохранение и восстановление естественной биоты суши на Земле, которое должно сопровождаться полным прекращением дальнейшего освоения естественной биоты океана. Человек, став мощным геологическим фактором, оказывает глобальное воздействие на биосферу. Биосфера, со своей стороны, через свои экологические законы, которые он вынужден соблюдать, чтобы выжить, в том числе и закон биотической регуляции окружающей среды, воздействует на человека. Создаются условия, очень напоминающие сопряженную эволюцию, или 130 коэволюцию в системе «человек биосфера». Продуктом такой коэволюции может стать так называемая «ноосфера», т. е. сфера разума. 8.4. НООСФЕРА КАК НОВАЯ СТАДИЯ ЭВОЛЮЦИИ БИОСФЕРЫ Ноосфера («мыслящая оболочка», сфера разума) высшая стадия развития биосферы. Это сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития (БСЭ. Т. 18. С. 103). Почему возникло понятие «ноосфера»? Оно появилось в связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы. Непреходящая ценность учения В. И. Вернадского о ноосфере именно в том, что он выявил геологическую роль жизни, живого вещества в планетарных процессах, в создании и развитии биосферы и всего разнообразия живых существ в ней. Среди этих существ он выделил человека как мощную геологическую силу. Эта сила способна оказывать влияние на ход биогеохимических и других процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве (пока «ближний» космос). Вся эта среда весьма существенно изменяется человеком, благодаря его труду. Он способен перестроить ее согласно своим представлениям и потребностям, изменить фактически ту биосферу, которая складывалась в течение всей геологической истории Земли. В. И. Вернадский писал, что становление ноосферы «есть не случайное явление на нашей планете», «создание свободного разума», «человеческого гения», а «природное явление, резко материально проявляющееся в своих следствиях в окружающей человека среде» (Размышления натуралиста, 1975). Иными словами, ноосфера окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии контролируются обществом. Человек, по мнению В. И. Вернадского, является частью биосферы, ее «определенной функцией». Подчеркивая тесную связь человека и природы, он допускал, что предпосылки возникновения человеческого разума имели место еще во времена животных предшественников Homo sapiens, и проявление его началось миллионы лет назад, в конце третичного периода. Но как новая геологическая сила смог проявить себя только человек. Воздействие человеческого общества, как единого целого, на природу по своему характеру резко отличается от воздействий других форм живого вещества. В. И. Вернадский писал: «Раньше организмы влияли на историю тех атомов, которые были нужны им для роста, размножения, питания, дыхания. Человек расширил этот круг, влияя на элементы, нужные для техники и создания цивилизованных форм жизни», что и изменило «вечный бег геохимических циклов» (Размышления натуралиста. Кн. 2, 1977). Эти гениальные мысли В. И. Вернадского позволили ряду ученых допустить в дальнейшем и такой ход событий в эволюции биосферы, как коэволюцию между человеческим обществом и природной средой, в результате чего и возникнет ноосфера, но это будет происходить благодаря «новым формам действия живого вещества на обмен атомов живого вещества с косной материей». Он считал, что «геологически мы переживаем сейчас выделение в биосфере царства разума, меняющего коренным образом и ее облик, и ее строение, ноосферы». Рост производительных сил резко ускорил темпы социально-экономического развития, которые все более опережают темпы природной эволюции биосферы и, по отношению к природе, деятельность человека стала неконтролируемой и неуправляемой. Если действия такого рода будут продолжаться, то это приведет к деградации и гибели современной биосферы. Поэтому, по В. И. Вернадскому, человечество обязано перейти и перейдет от стихийного к планомерному разумному управлению общественными и природными процессами на Земле к ноосфере. По утверждению В. И. Вернадского, в сфере разума ноосфере должна господствовать гуманистическая идея, а это предполагает гуманизацию социальных отношений, разумное отношение к природе, бережное отношение к ее ресурсам, ко всему живому. Анализируя представления В. И. Вернадского о ноосфере, Э. В. Гирусов (1986) высказал 131 мнение, что ломка развития человеческой деятельности должна идти не вопреки, а в унисон с организованностью биосферы, ибо человечество, образуя ноосферу, всеми своими корнями связано с биосферой. Ноосфера естественное и необходимое следствие человеческих усилий. Это преобразованная людьми биосфера соответственно познанным и практически освоенным законам ее строения и развития. Рассматривая такое развитие биосферы в ноосферу с позиций системного подхода, можно заключить, что ноосфера это новое состояние некоторой глобальной суперсистемы как совокупности трех мощных подсистем: «человек», «производство» и «природа», как трех взаимосвязанных элементов при активной роли подсистемы «человек» (Прудников, 1990). Становление ноосферы, по В. И. Вернадскому, процесс длительный, но ряд ученых полагают, что человечество уже вступило в период ноосферы, хотя многие считают, что пока об этом говорить рано, так как то, что сейчас происходит во взаимодействии человека и природы, трудно увязать с наступлением эпохи разума. Тем не менее прогресс человеческого разума и научной мысли ноосферы налицо: они вышли уже за пределы биосферы Земли, в космос и глубины литосферы (сверхглубокая Кольская скважина). По мнению многих ученых, ноосфера в будущем станет особой областью Солнечной системы. «Биосфера перейдет так или иначе, рано или поздно в ноосферу… На определенном этапе развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, иначе у него не будет будущего», утверждал В. И. Вернадский. Контрольные вопросы 1. Каковы важнейшие аспекты учения В. И. Вернадского о биосфере? 2. Каковы этапы формирования кислородной атмосферы Земли? 3. Как отражается на развитии жизни на Земле нарушение равновесия О2/СО2? 4. Почему человек абсолютно зависим от жизнедеятельности и разнообразия других организмов? 5. Каково значение для развития биоты Земли сопряженной эволюции (коэволюции) и группового отбора? 6. В чем суть концепции биотической регуляции окружающей среды? 7. Что такое ноосфера и почему возникло такое понятие? 8. Возможно ли возникновение ноосферы в результате коэволюции между человеческим обществом и природной средой? 132 РАЗДЕЛ III. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ ГЛАВА 9. БИОСОЦИАЛЬНАЯ ПРИРОДА ЧЕЛОВЕКА И ЭКОЛОГИЯ ВСТУПЛЕНИЕ Человек высшая ступень развития живых организмов на Земле. Он, по И. Т. Фролову (1985), «субъект общественно-исторического процесса, развития материальной и духовной культуры на Земле, биосоциальное существо, генетически связанное с другими формами жизни, но выделившееся из них благодаря способности производить орудия труда, обладающее членораздельной речью и сознанием, творческой активностью и нравственным самосознанием». Биосоциальная природа человека отражается в том, что его жизнь определяется единой системой условий, в которую входят как биологические, так и социальные элементы. Это вызывает необходимость не только его биологической, но и социальной адаптации, т. е. приведение межиндивидуального и группового поведения в соответствие с господствующими в данном обществе, классе, социальной группе нормами и ценностями в процессе социализации (путем усвоения знаний об этом обществе, классе и т. д.). Эту область человеческой природы изучает большая группа социальных дисциплин, с которыми экология весьма тесно связана (социальноэкономические науки и др.). Биологическая адаптация человека весьма отличается от таковой в животном мире, так как стремится сохранить не только его биологические, но и социальные функции при возрастающем значении социального фактора. Последнее обстоятельство имеет важное экологическое значение и нашло свое отражение в экологическом подходе к определению понятия «человек». Человек один из видов животного царства со сложной социальной организацией и трудовой деятельностью, в значительной мере «снимающими» (делающими малозаметными) биологические, в том числе этологические (первично поведенческие) свойства организма (Реймерс, 1990). Общие законы взаимоотношения человека (или группы людей) и биосферы, влияние на человека (или группы людей) природной и социальной среды изучает наука экология человека. 9.1. ЧЕЛОВЕК КАК БИОЛОГИЧЕСКИЙ ВИД Эволюционные особенности вида Человек это составная часть живого и не может существовать в естественных условиях вне биосферы и живого вещества определенного эволюционного типа. Семейство гоминид, к которому относится человек, возникло в экваториальной части Земли, а род Человек в восточной части Африки и в Южной Азии. В ранние эпохи на Земле существовали несколько видов гомид, относящихся к двум подсемействам: австралопитеки и просто люди, из которых сохранился лишь один вид Homo sapiens человек разумный. Отголосками того, что еще недавно на Земле жили одновременно неандертальцы и люди, являются сохранившиеся легенды о «снежном» Человеке. Многие ученые считают, что Homo sapiens подразделяется на два подвида неандертальца и современного человека (рис 9.1). 133 Рис. 9.1. Возникновение человека на Земле В эволюции живого вещества на планете есть ряд поворотных пунктов, последним из которых в этой эволюционной сукцессии является появление человека, Homo sapiens. Это произошло совсем недавно 3,55 млн лет назад, что по сравнению с 4 млрд развития живого мира ничтожно малая его часть. Для наглядности этой «ничтожности» обычно прибегают к такому приему: представим весь период развития органической жизни в масштабе одного года, тогда появление и развитие человека уложится всего в одни сутки «31 декабря» (365-я часть), появление сельского хозяйства (десять тысяч лет назад) в две минуты, а промышленная революция (200 лет назад) в две секунды, т. е. она возникла в 23 часа 59 минут 58 секунд 31 декабря. Если сравнить время появления и развития человека, например, с периодом существования динозавров на Земле, то они просуществовали в 14 раз дольше, т. е. «две недели». Все это приводит к мысли, что человек, как и любой биологический вид на Земле, так же приходящ и вовсе не является «вершиной эволюции», как часто думают сами люди. Тем не менее В. И. Вернадский полагал, что не для того природа потратила миллиарды лет, чтобы эпоха Homo sapiens просуществовала «мгновения», это есть определенный «скачок» эволюции в весьма длительную новую геологическую эру. Первобытный человек, вплоть до недавнего времени (до появления сельского хозяйства) вообще-то представлял собой обычного всеядного консумента естественных экосистем. Занимаясь собирательством и охотой, он создавал недолговременные небольшие поселения, перекочевывая с места на место в поисках участков с более богатой растительностью и другой пищей. В это время, и в еще более раннее, влияние человека на окружающую природу было невелико. Еще 1,5 млн лет назад продолжительность жизни человека не превышала 20 лет, а численность всей его популяции на Земле составляла около 500 тыс. особей (рис. 9.2). 134 Рис. 9.2. Численность населения в мире и средняя продолжительность жизни Столь незначительная продолжительность жизни объяснялась тем, что человек жил в еще практически нетронутой первозданной природной среде, в которой безраздельно господствовали силы саморегуляции, которым он противостоял теми же способами, которыми обладали и представители других видов животного мира. Однако, как и любой вид, человек не только зависит от среды, но и воздействует на нее. Но в отличие от животных, человек обладает интеллектом. Интеллект и позволил ему найти «противоядие» против одного из важнейших факторов нехватки пищевых ресурсов: сельское хозяйство скотоводство и земледелие. Это произошло примерно десять тысяч лет назад. Человек стал строить свою собственную экологическую систему. Способность человека мыслить, создание необходимых орудий труда позволили ему, хотя бы временно, преодолеть действие обычных абиотических и биотических факторов. Б. Небел (1993. Т. 1) считает, что преодолеть их действие человек смог: 1) в изобилии производя продовольствие (хотя с его распределением все еще возникают проблемы); 2) создав водохранилища и подведя воду в населенные пункты и на поля; 3) создав средства борьбы с хищниками и многими болезнетворными организмами; 4) построив жилища и научившись обогревать или охлаждать их по собственному желанию; 5) выиграв в конкурентной борьбе с другими видами». Человек, научившись преодолевать действие лимитирующих факторов, тем не менее, на 100% еще не одержал победу над ними. Как отмечает Ю. Одум (1975), он может снабдить кондиционированным воздухом свое жилье, свое рабочее место, но считать себя независимым от климата он не может, иначе ему пришлось бы снабдить кондиционированным воздухом свои посевы, домашних животных и т. п. Значит человек остается зависимым от климатических явлений от жары и холода, засухи и дождей и других явлений. Таким образом, хотя человек существо социальное, собственно природа всегда будет фактором существования человека, составлять неотъемлемую часть окружающей человека среды, куда входит и 135 искусственно созданная им среда и общественные отношения и институты (социум). Искусственная среда обитания также воздействует на человека, т. е. здесь возникает обратная связь, но она воздействует как на биологические, так и на социальные процессы, протекающие в человеческих популяциях. Наследственность человека Созданная в процессе становления вида Homo sapiens генетическая программа определяет его как биологический вид. Она записана в молекулах ДНК, достаточно консервативна и «представляет собой самый драгоценный из природных рессурсов» (Алтухов, Курбатова, 1984). Но тем не менее от поколения к поколению ДНК человека вовлекаются в разнообразные генетические процессы фактически в такие же, в какие вовлекаются ДНК всех остальных животных: 1) мутационный процесс непосредственно изменяющий структуру ДНК; 2) миграция генов отток или приток генов из других популяций; 3) дрейф генов случайные колебания частот генов; 4) естественный отбор направленно изменяющий частоты генетических признаков. Мутационный процесс в условиях естественного фона радиации не может повлиять на жизнь популяций. Но человек сам ввел в свою окружающую среду ядерную энергию, обладающую исключительной мутационной активностью. Он использует в быту и на производстве сотни тысяч химических соединений, среди которых появились и химические мутагены, в том числе и химические соединения, которые прежде не встречались в природе. Случайный дрейф и миграции генов среди животных обычное явление, приводящее к образованию экотипов, которые, развиваясь изолированно, могут образовать в результате эволюции новую расу или даже новую видовую популяцию. Что же касается человека, то в настоящее время, в условиях развитости транспорта, миграции в город из сел (урбанизация) и, вообще, подвижности населения, географические расстояния уже не играют роли. В этих условиях генный дрейф теряет значение как фактор популяционной динамики, в то время как еще в конце ХIХ в. можно было говорить о существовании неких групп населения, которые называли «изолятами». Изменение параметров миграции приводит к расширению круга брачных связей, к увеличению роли межнациональных и гетеролокальных (на больших расстояниях от мест жительства) браков. Это явление может иметь положительную и отрицательную стороны оптимум где-то посередине. Однако нельзя забывать, что человек еще и социальное существо, поэтому на его генофонд действуют и весьма активно общественные отношения. Генофонд это вся совокупность генов населения (любого биологического вида), обитающего на конкретной исторически сложившейся территории, а значит, и человеческой популяции. Различные социальные условия определяют существование людей определенного генотипа, т. е. определенного сочетания генов, переданного родителями и обеспечивающего человеку жизнь. Но дальнейшие судьбы генов зависят от самого человека и общества, которые полностью распоряжаются жизнью человека, следовательно, и его генами. К. С. Лосев, Г. Г. Провадкин (1998) считают, что «…тема генофонда в ее общественном звучании это, по существу, тема экологии общества, включая экологию духа, культуры общественных отношений к Природе и Истории». Естественный отбор сыграл решающую роль в эволюции всех видов, в том числе и Homo sapiens. Человек современного типа возник в последнюю ледниковую эпоху, примерно 4050 тыс. лет тому назад. Как мы уже отмечали, за этот период он занимался охотой, собирательством, значительно позже скотоводством, земледелием и ремеслами и только последние два три века получило бурное развитие промышленное производство. На протяжении всей этой истории постепенно снижалась роль природной и возрастала роль искусственной среды в жизни человека. При этом изменялись величина и качественный характер давления естественного отбора. Благодаря социальным преобразованиям и развитию медицины в развитых странах давление естественного отбора значительно снизилось. Тем не менее человек, являясь и биосоциальным существом, не освободился от действия общебиологических закономерностей, универсальных для 136 всего живого. В подтверждение сказанного данные иностранных авторов из статьи Ю. П. Алтухова и О. Л. Курбатовой (1984): 5% эмбрионов человека погибают на ранних стадиях онтогенеза (спонтанные аборты), 3% составляет мертворожденность, 3% смертность до наступления репродуктивного возраста, 20% взрослых не вступают в брак, 10% браков бесплодны и т. п. Таким образом, примерно 50% первичного генофонда не воспроизводится в следующем поколении и значительная часть этих явлений генетически обусловлена. Искусственная среда и эволюция человека Человек сам создатель и регулятор развития городских (урбанистических) систем. Характер и интенсивность его хозяйственной деятельности и способность поддерживать качество окружающей среды в конечном итоге зависит от его биологических особенностей и социальных факторов. До сих пор идут споры о соотношении социального и биологического в человеке и, хотя мы не знаем этого соотношения (видимо, его нельзя и измерить), но при рассмотрении экологии человека необходимо учитывать оба этих начала. Наиболее рельефно эти проблемы видны при изучении эволюции и адаптации человека в городской среде. Движущей силой эволюции является естественный отбор, давление которого в развитых странах вообще, а тем более в урбосистемах, значительно снижено. И тем не менее человек и в городской среде не изолирован от природы. Продолжают действовать зональные географические условия, отмечено даже формирование независимо от этнической принадлежности зональных адаптивных типов человека: тропический, пустынный, высокогорный, континентальный, умеренный, арктический. Учитывая указанные генетические особенности человека и то, что он занял такие пространства, где воздействия среды во многом противоположны, можно констатировать: человек, в отличие от животных, поставил вид в условия широчайшей экологической ниши, характеризующейся общей направленностью адаптаций. Человек как биологический вид, видимо, достиг того предела «эврибионтности», что дальнейший ее рост вступает в противоречие с организмом человека, как высокоинтегрированной системы, требующей для выживания определенного минимума интеграции («Городская среда…», 1990). Именно эта особенность позволила человеку освоить огромное число экологических ниш в природе, а с другой стороны, привести к процессам «самонастройки» его организма к изменениям среды. «Самонастройка» систем организма к среде свидетельствует о возможностях выживания человека в новых условиях, что позволяет оптимистически смотреть на будущее всего человечества, не предрекая его гибели. Примерами «самонастройки» систем организма человека при изменении среды могут служить: процессы акселерации, приспособительная динамика соотношения полов в популяции, физиологическая реакция организма на условия высокогорья, высоких широт, гипокинезии и невесомости и т. п. Человек не только адаптируется, но прочно «привязывается» к своей среде как в индивидуальном, так и в видовом аспектах («Городская среда…, 1990). Данные космической биологии показывают, что человек, адаптируясь к новым условиям в космосе, возвращаясь на Землю, вынужден снова вырабатывать у себя прежние навыки деадаптироваться. В своей жизнедеятельности, в городской среде, он может находиться дома (в квартире), затем на производстве и, наконец, может выехать за город на отдых. Эти изменения окружающих человека сред вызывают процессы реадаптации, т. е. адаптации к ставшим уже для него новым условиям ранее привычной среды. Более того, при этом происходит как бы «снятие» некоторых выработанных ранее адаптационных механизмов, например, у детей происходит некоторая потеря «бдительности» к движению транспортных средств за период отсутствия их в городе в летние каникулы и т. п. Примерно то же происходит, если не человек меняет среду, а среда меняется в месте его проживания, на производстве и т. п. Например, повысился шум механизмов в цехе, уровень загрязнения и т. п., скажем, на какое-то время. Но если эти изменения происходят быстро и мощно, то эволюционные процессы, механизмы отбора, уже не успевают, «отстают» и адаптация становится 137 невозможной. Такой резкий дисбаланс системы вызывает стрессовые ситуации, когда под воздействием стрессора любого фактора, необычайного по силе и длительности воздействия на человека, создается «напряжение» («стресс») в системе при ее адаптационной перестройке, приводящее к болезням человека, вплоть до генетических нарушений мутагенных явлений. В городской среде к традиционным экологическим факторам добавляются такие, как десинхроноз (несоответствие адаптаций географической зональности при трансширотных и трансмеридиональных миграциях), транспортная усталость, слабые электромагнитные поля, симбиотная бактериально-вирусная флора, медицинские интервенции, информационное богатство среды, вирусная трансдукция (перенос генетического материала из одной клетки в другую с помощью вируса) и др. Существует проблема оценки качества городской среды. В природных экосистемах можно использовать виды-индикаторы, действие отдельных экологических факторов, наличие тех или иных компонентов загрязнения и т. д. Но человек, в отличие от животных, сохраняет свои видовые морфофункциональные характеристики независимо от смены условий своей жизни, благодаря трудовой общественно-исторической деятельности, в результате которой и создалась новая «искусственная» среда. Поэтому оценка состояния среды обитания человека возможна лишь через состояние здоровья самого человека. Но создание искусственной среды стало возможным благодаря общественной, социальной природе человека и для него необходима не только биологическая, но и социальная адаптация к этой среде. С этой точки зрения важны проблемы роста и развития человеческой популяции, отражающие весьма рельефно биосоциальную природу человека. 9.2. ЧЕЛОВЕЧЕСТВО КАК ПОПУЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА Популяция человека, т. е. популяция особого вида Homo sapiens, обладает теми же свойствами, что и популяция животных, но характер и форма их проявлений значительно отличаются вследствие действия таких факторов, как искусственная среда, социально-экономические условия и др., называемых единым термином социум. Все люди на Земле образуют популяционную систему человечество. Эта система ограничена доступными природными ресурсами и условиями жизни, социально-экономическими и генетическими механизмами (Реймерс, 1994). Человек, уже зная достаточно о значении этих ограничивающих факторов, пока еще мало придает им значения, хотя социально-экономические факторы уже, в известной степени, выступают как регулирующие. О том, что человечество плохо осознает предел своей «толерантности» относительно этих ограничивающих факторов, является практически «безудержный» рост населения, т. е. численности популяции. Но если действительно поведение человека разумно, тогда он, по Ю. Одуму (1975), должен: 1) изучать и понять форму собственного популяционного роста; 2) определить количественно оптимальные размеры и конфигурацию населения в связи с емкостью данной области; 3) быть готовым к принятию «культурной регуляции» там, где «естественная регуляция» недейственна. Рост численности населения Рост численности населения Земли подчиняется экспоненциальному закону, при этом прирост не постоянный, а в последние десятилетия шел с нарастающим итогом. Исходя из этого, экологи расценивают последние тенденции как чрезвычайно опасные. Так, в 70-е гг. ХХ в. население планеты увеличилось на 750 млн человек, в 80-е на 840 млн, а прирост на 90-е гг. прогнозировался в 960 млн человек и, как видно из табл. 9.1, ежегодный прирост к концу ХХ в. прогнозировался почти в 100 млн человек, что подтверждается косвенными данными в настоящее время. Таблица 9.1 138 Темпы роста населения Земли в 19502000 гг. (Лестер Р. Браун, 1992) Безусловно, такой прирост характеризует собой состояние «демографического взрыва» в человеческой популяции. Это наглядно видно на рис. 9.2, где показано, что еще 1,5 млн лет назад на Земле проживало примерно 500 тыс. человек. При продолжительности жизни в то время всего 20 лет, количество особей могло удвоиться лишь по прошествии 200 тыс. лет. В настоящее же время для этого требуется всего 35 лет. Примерно девять тысяч лет тому назад на Земле проживало около 10 млн человек, в начале нашей эры порядка 200 млн, а в середине ХVII в. 500 млн. Уменьшая воздействие лимитирующих факторов вплоть до практически полного «снятия» их воздействия, человек подошел к миллиардному рубежу своей численности лишь примерно в середине ХIХ в. Но и в ХIХ в. возникали и возникают сейчас различного рода локальные и региональные катастрофы, связанные с болезнями, голодом (например, вследствие неурожаев), войнами и т. п. И несмотря на это и в ХХ в. численность населения продолжает расти, так как люди для себя, с помощью технологических, социальных и культурных перемен, увеличили емкость планеты, сделав обычно непригодные для жизни районы Земли обитаемыми (Миллер, 1993). Переходя на язык моделей динамики популяций в природе, можно сказать, что регулирующая (ограничительная) роль K -факторов резко снизилась, и в динамике человеческой популяции преобладает r-стратегия. Не последнюю роль играют и особенности жизненных циклов людей: каждая особь участвует в размножении многократно и само размножение возможно в любое время года. В связи с этим государства создают законы, ограничивающие минимально допустимый возраст вступления в брак, разрабатывают мероприятия, поощряющие деторождение только в определенном возрасте и т. д. Динамику роста народонаселения изучает наука демография. Ее данные очень важны для национального и международного планирования различных мероприятий, связанных с численностью населения, в том числе и ограничительных мер по ее стабилизации или даже сокращению, если это требуется по экологическим причинам. Демографические расчеты позволяют оценить возрастную структуру населения, причины изменения численности в прошлом и прогнозировать эти изменения на будущее. На рис. 9.3 данные по возрастному составу населения представлены в виде возрастных пирамид. 139 Рис. 9.3. Возрастная структура народонаселения в 1970 г. в трех странах, различающихся скоростью роста численности населения: а Мексика (быстро растущая популяция); б США (медленно растущая популяция); в Швеция (стационарная популяция) (Freedman, Berelson, 1974) Возрастная пирамида отражает структуру населения данной местности или государства в целом и содержит в себе информацию о численности каждой возрастной категории людей, о характере роста населения, о позитивном или негативном влиянии условий жизни и др. Строятся пирамиды в координатах возраст численность (рис. 9.3). Каждый возрастной класс для различных животных, в зависимости от их продолжительности жизни, имеет различные интервалы, а для человека интервал в пять лет. Он изображается в виде горизонтально «лежащего столбика», длина которого равна численности данного возрастного класса. Самый «младший» столбик укладывается в основании пирамиды, самый «старший» ее венчает. Из рис. 9.3 видно, что при экспоненциальном росте популяции возрастная структура зависит от скорости роста чем быстрее растет популяция, тем длиннее «столбик» молодых особей и пирамида расширяется к основанию. Популяция может и не менять своей численности (r 0). Если во всех этих случаях соотношение возрастов сохраняется, то можно считать такие популяции стабильными. Анализ возрастных пирамид позволяет человечеству с достаточной надежностью прогнозировать свое будущее и принимать соответствущие меры. В природе же эти процессы регулируются естственным путем, под влиянием экологических факторов. Возрастная пирамида развивающихся стран сужается к вершине (рис. 9.4) вследствие того, что рождаемость высокая, а выживаемость людей в них низкая. В противоположность ей, пирамида населения развитых стран имеет почти отвесную стенку вплоть до старших возрастов, что свидетельствует о высокой выживаемости человека в более благоприятных условиях. Эти же пирамиды свидетельствуют о стремительном росте населения развивающихся стран, а также о нежелательном росте (если он есть) населения в развитых странах. 140 Рис. 9.4. Общая численность и возрастной состав населения развивающихся и развитых стран (соответственно заштрихованные и незаштрихованные части диаграммы слева и справа). Верхняя диаграмма соответствует состоянию на 1980 г., а нижняя прогнозу ООН на 2000 г. (Мау, 1980) По последним данным, в развивающихся странах просматривается снижение рождаемости и, тем не менее, рост их численности к 2000 г. достаточно велик (см. рис. 9.4), что не может не тревожить общество. Рост этот будет происходить еще продолжительное время даже при снижении скорости роста (r) до нулевого значения. Это явление называют «инерцией роста численности», и оно связано с наличием большого количества молодых людей, не достигших детородного возраста. Поэтому, если даже «r» достигло бы нулевого значения без всякой задержки, то и в этом случае развивающиеся страны были бы обречены на увеличение общей численности населения вдвое, и только после этого могла бы наступить стабилизация (Бигон и др., 1989). Тем не менее, по некоторым данным, есть уже слабая надежда на то, что пик «демографического взрыва» позади, ибо среднегодовой прирост в мире, составляющий 1,8% в 70-е гг. понизился до 1,7% в 80-е гг. (Лавров, 1990). Однако потребуются огромные усилия всего человечества для поддержания динамического равновесия в природе, в том числе целенаправленная демографическая политика, особенно в странах «третьего мира», где достигнутая плотность населения превышает все допустимые пределы. Озабоченность тенденциями роста населения еще двести с лишним лет назад заставила Томаса Мальтуса написать трактат, ставший теперь всемирно известным. В нем он впервые математически доказал, что рост населения происходит по экспоненциальному закону, а количество продуктов сельского хозяйства увеличивается в арифметической прогрессии. Мальтус считал, что, если не прекратится бесконтрольное деторождение, нищета и голод будут неизбежны. Конечно, он ошибался в том плане, что не мог учесть в то время и предвидеть потенциальные возможности новых технологий для повышения продуктивности почв, огромных достижений генетики в области селекции сельскохозяйственных растений и животных и т. д. Он писал задолго до открытия принципов генетики Менделем, ничего еще не зная о биогеохимических круговоротах, 141 возвращающих биогенные компоненты в почву, и др. Т. Мальтус полагал, с повышением численности и ростом плотности населения, начнут регулировать численность человеческой популяции эпидемии, т. е. факторы, зависящие от плотности населения. Но успехи медицины, казалось бы, опровергли этот факт, однако постепенно он снова возник из небытия ВИЧ-инфекция, рак, возврат прежних инфекций (туберкулез) и т. п. С усилением контактов между народами и ростом их численности эти и другие болезни, например, пандемии гриппа и ряд новейших заболеваний будут представлять собой все большую опасность для человечества. Но этой опасности есть альтернатива. По мнению Н. Ф. Реймерса, при экономически благоприятных условиях начнет реально действовать регулируемый механизм депопуляции и через три поколения (75 лет) человечество бесконфликтно сократится до 1,01,5 млрд. Эти предположения Н. Ф. Реймерса не бесспорны, хотя достаточно оптимистичны. При теперешнем, весьма неспокойном мире, при далеко неравномерном экономическом развитии государств, достижение достаточно высокого уровня благосостояния хотя бы большинством людей в ближайшие десятилетия проблематично. По прогнозам же демографов, если все будет идти как идет сейчас, уже к 4050 гг. ХХI в. численность населения на Земле достигнет предельной биологической емкости человеческой популяции (1215 млрд человек), а это чревато ее «крахом» (см. рис. 3.4). Иными словами, в полную силу вступают в свои права факторы естественной регуляции и, среди них, важнейшим будет истощение доступных человечеству ресурсов. 9.3. ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ ЗЕМЛИ КАК ЛИМИТИРУЮЩИЙ ФАКТОР ВЫЖИВАНИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА Общие представления В самом общем виде, применительно к человеку: «Ресурсы это нечто, извлекаемое из природной среды для удовлетворения своих потребностей и желаний» (Миллер, 1993, Т. 1). Потребности человека можно разделить на материальные и духовные. Природные ресурсы в прямом их применении в какой-то части удовлетворяют духовные потребности человека, например, эстетические («красота природы»), рекреационные и т. п. Но главное их назначение удовлетворять материальные потребности, т. е. создание материальных благ. Итак, природные (естественные) ресурсы это природные объекты и явления, которые человек использует для создания материальных благ, обеспечивающих не только поддержание существования человечества, но и постепенное повышение качества жизни. Природные объекты и явления это различные тела и силы природы, используемые человеком как ресурсы. Организмы, кроме человека и, в значительной степени, домашних животных, черпают живые энергетические ресурсы непосредственно из окружающей природной среды, являясь частью биогеохимических циклов. Эти ресурсы по своему действию можно рассматривать и как экологические факторы, в том числе и как лимитирующие, например, большая часть пищевых ресурсов. Человек, благодаря своим все возрастающим материальным потребностям, не может довольствоваться дарами природы только в той мере, при которой не должен нарушать ее равновесие, т. е. около 1% от ресурсов природной экосистемы, поэтому ему приходится использовать и те природные ресурсы, которые накоплены за миллиарды и миллионы лет в недрах Земли. Для создания материальных благ человеку необходимы металлы (железо, медь, алюминий и др.) и неметаллическое сырье (глина, песок, минеральные удобрения и др.), а также лесная продукция (строительный лес для производства целлюлозы и бумаги и т. д.) и многое другое. Иными словами, природные ресурсы, используемые человеком, многообразны, многообразно их назначение, происхождение, способы использования и т. п. Это требует определенной их систематизации. Классификация природных ресурсов 142 В основу классификации положено три признака: по источникам происхождения, по использованию в производстве и по степени истощаемости ресурсов (Протасов, 1985). По источникам происхождения ресурсы подразделяются на биологические, минеральные и энергетические. Биологические ресурсы это все живые средообразующие компоненты биосферы: продуценты, консументы и редуценты с заключенным в них генетическим материалом (Реймерс, 1990). Они являются источниками получения людьми материальных и духовных благ. К ним относятся промысловые объекты, культурные растения, домашние животные, живописные ландшафты, микроорганизмы, т. е. сюда относятся растительные ресурсы, ресурсы животного мира и др. Особое значение имеют генетические ресурсы. Минеральные ресурсы это все пригодные для употребления вещественные составляющие литосферы, используемые в хозяйстве как минеральное сырье или источники энергии. Минеральное сырье может быть рудным, если из него извлекаются металлы, и нерудным, если извлекаются неметаллические компоненты (фосфор и т. д.), или используются как строительные материалы. Если же минеральные богатства используются как топливо (уголь, нефть, газ, горючие сланцы, торф, древесина, атомная энергия) и одновременно как источник энергии в двигателях, для получения пара и электричества, то их называют топливно-энергетическими ресурсами. Энергетическими ресурсами называют совокупность энергии Солнца и космоса, атомноэнергетических, топливно-энергетических, термальных и других источников энергии. Второй признак, по которому классифицируют ресурсы по использованию их в производстве. Сюда относятся следующие ресурсы: земельный фонд все земли в пределах страны и мира, входящие по своему назначению в следующие категории: сельскохозяйственные, населенных пунктов, несельскохозяйственного назначения (промышленности, транспорта, горных выработок и т. п.), мировой земельный фонд 13,4 млрд га; лесной фонд часть земельного фонда Земли, на которой произрастает или может произрастать лес, выделенные для ведения сельского хозяйства и организации природных особо охраняемых территорий; он является частью биологических ресурсов; водные ресурсы количество подземных и поверхностных вод, которые могут быть использованы для различных целей в хозяйстве (особое значение имеют ресурсы пресных вод, основным источником которых являются речные воды); гидроэнергетические ресурсы, которые способна дать река, приливно-отливная деятельность океана и т. п.; ресурсы фауны количество обитателей вод, лесов, отмелей, которые может использовать человек, не нарушая экологического равновесия; полезные ископаемые (рудные, нерудные, топливно-энергетические ресурсы) природное скопление минералов в земной коре, которое может быть использовано в хозяйстве, а скопление полезных ископаемых образует их месторождения, запасы которых должны иметь промышленное значение. С природоохранной точки зрения важное значение имеет классификация ресурсов по третьему признаку по степени истощаемости. Истощение природных ресурсов с экологических позиций это несоответствие между безопасными нормами изъятия природного ресурса из природных систем и недр и потребностями человечества (страны, региона, предприятия и т. д.). На рис. 9.5 приводится схема классификации ресурсов по степени истощаемости. 143 Рис. 9.5. Классификация природных ресурсов Неисчерпаемые ресурсы непосредственно солнечная энергия и вызванные ею природные силы, например, ветер и приливы существуют вечно и в неограниченных количествах. Исчерпаемые ресурсы имеют количественные ограничения, но одни из них могут возобновляться, если есть к этому естественные возможности или даже с помощью человека (искусственная очистка воды, воздуха, повышение плодородия почв, восстановление поголовья диких животных и т. п). Однако очень важная группа ресурсов невозобновима. К ним относятся такие реликты древних биосфер, как топливо и железная руда, а также ряд руд металлов внутриземного (эндогенного) происхождения. Все они имеют ограниченные запасы в литосфере. Эти ресурсы конечны и не возобновляются. Конечно, у человека есть возможности заменить наиболее дефицитные ресурсы на имеющие большее распространение и большие запасы. Но, как правило, подобно тому, как и при замене одних экологических ресурсов (например, пищевых) в экосистемах другими, понижается качество. Таким образом, одним из важнейших лимитирующих факторов выживания человека как биологического вида (Homo sapiens) является ограниченность и исчерпаемость важнейших для него природных ресурсов. Но человек еще и социальное существо, поэтому для развития и выживания человеческого общества очень важен характер использования ресурсов. В настоящее время человечеству доступны климатические и космические ресурсы, ресурсы Мирового океана и континентов. Постоянно растет количественное их потребление, растет их «ассортимент», зачастую без учета ресурсообеспеченности. Ресурсообеспеченность это соотношение между величиной природных ресурсов и размерами их использования. Она выражается либо количеством лет, на которое должно хватить данного ресурса, либо его запасами из расчета на душу населения. На показатели ресурсообеспеченности прежде всего влияет богатство или бедность территории природными ресурсами. Но не меньшее значение имеют и масштабы их потребления (например, добыча полезных ископаемых), поэтому само понятие ресурсообеспеченность является социально-экономическим. Таким образом, о ресурсообеспеченности нельзя судить только по размерам запасов, а надо учитывать интенсивность извлечения (потребления их обществом). Потребление природных ресурсов обусловлено прежде всего тем, что человек, стремясь «снять» влияние лимитирующих природных факторов, для того чтобы выжить и победить в конкурентной борьбе, начал создавать свои антропогенные экосистемы. 144 Контрольные вопросы 1. Что характерно для человека как биологического вида? 2. Чем отличается человек от животного мира? Что такое социум? 3. Что заставило человека строить свою собственную экосистему? 4. Какие особенности вида позволили именно ему это сделать? 5. От каких лимитирующих факторов и почему человек остается зависим? 6. Каково значение генофонда и в какие генетические процессы вовлекается ДНК человека? 7. Почему, в отличие от животных, именно человеку удалось поставить вид в условия широчайшей экологической ниши? 8. В чем особенности адаптационных процессов в условиях искусственной городской среды? 9. Какими факторами ограничен рост человеческой популяции? 10. Почему в динамике роста человеческой популяции преобладает экспоненциальная зависимость? Дайте характеристику демографических пирамид. 11. Что может произойти с человеческой популяцией, если ее численность достигнет предельной биологической емкости? 12. Что такое природные ресурсы и из чего они состоят? 13. Как классифицируются ресурсы по источникам происхождения? по использованию в производстве? по степени истощаемости? 14. Что такое ресурсообеспеченность? 145 ГЛАВА 10. АНТРОПОГЕННЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ 10.1. О ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ТИПАХ ЭКОСИСТЕМ Человек, в конкурентной борьбе за выживание в природной окружающей среде, начал строить свои искусственные антропогенные экосистемы. Примерно десять тысяч лет назад он перестал быть «рядовым» консументом, собирающим дары природы, и начал эти «дары» получать сам, посредством своей трудовой деятельности, создав сельское хозяйство растениеводство и животноводство. Освоив сельскохозяйственную модель, человек исторически подошел к промышленной революции, которая началась всего 200 лет назад, и до современного комплексного взаимодействия с окружающей средой по искусственной модели (рис. 10.1). На современном этапе, он для удовлетворения своих все возрастающих потребностей вынужден изменять природные экосистемы и даже разрушать их, может и не желая этого. Рис. 10.1. Динамика экологической системы «Человек окружающая среда» (Тибор, 1979) Энергия это изначальная движущая сила экосистем, причем всех и природных и антропогенных. Энергетические ресурсы этих систем могут быть неисчерпаемы солнце, ветер, приливы и исчерпаемы топливно-энергетические (уголь, нефть, газ и т. п). Используя топливо, человек может добавлять энергию в систему или даже полностью ее субсидировать энергией. Опираясь на эти энергетические особенности существующих систем, Ю. Одум (1986) предложил их классификацию, приняв энергию за основу, и выделил четыре фундаментальных типа экосистем. 1. Природные: движимые Солнцем, несубсидируемые. 2. Природные, движимые Солнцем, субсидируемые другими естественными источниками. 3. Движимые Солнцем и субсидируемые человеком. 4. Индустриально-городские, движимые топливом (ископаемым, другим органическим или ядерным). Эта классификация принципиально отличается от биомной, основанной на структуре экосистем, так как она основана на свойствах среды. Тем не менее, она хорошо дополняет ее. Первые два типа 146 это природные экосистемы, а третий и четвертый следует отнести к антропогенным. К первому типу экосистем относятся океаны, высокогорные леса, являющиеся основой жизнеобеспечения на планете Земля. Ко второму типу экосистем относят эстуарии в приливных морях, речные экосистемы, дождевые леса, т. е. те, которые субсидируются энергией приливных волн, течений и ветра. Хотя экосистемы первого типа неспособны поддерживать высокую плотность их фауны и флоры, но они занимают громадные площади одни океаны это 70% территории земного шара. Ими движет энергия только самого Солнца и они являются основой, стабилизирующей и поддерживающей жизнеобеспечивающие условия на планете. Экосистемы второго типа обладают высокой естественной плодородностью, поскольку организмы, проживающие здесь, например, в эстуариях, приспособились использовать «дополнительную» энергию приливов и течений, а в дождевых лесах энергию ветра и дождя и т. п. Эти системы «производят» столько первичной биомассы, что ее хватает не только на собственное содержание, но часть этой продукции может выноситься в другие системы или накапливаться. Таким образом, природные экосистемы «работают» без всяких забот и затрат со стороны человека на поддержание своей жизнеспособности и собственного развития, более того, в них создается и заметная доля пищевых продуктов и других материалов, необходимых уже для жизни самого человека. Но, главное, именно здесь очищаются большие объемы воздуха, возвращается в оборот пресная вода, формируется климат и др. Совсем иначе работают антропогенные экосистемы. К ним уже с полным правом можно отнести третий тип это агроэкосистемы, аквакультуры, производящие продукты питания и волокнистые материалы, но уже не только за счет энергии Солнца, а и дотации ее в форме горючего, поставляемого человеком. Эти системы походят на природные, поскольку саморазвитие культурных растений в период вегетации это процесс природный и вызван к жизни природной солнечной энергией. Но подготовка почвы, сев, уборка урожая и др. это уже энергетические затраты человека. Более того, человек практически целиком меняет природную экосистему, что выражается, прежде всего, в ее упрощении, т. е. снижении видового разнообразия, вплоть до сильно упрощенной монокультурной системы (табл. 10.1). Таблица 10.1 Сравнение природной и упрощенной антропогенной экосистем (по Миллеру, 1993) 147 Современное сельское хозяйство позволяет постоянно, из года в год, удерживать экосистемы на ранних стадиях сукцессий, добиваясь максимальной первичной продуктивности одного или нескольких растений (например, кукурузы, пшеницы, гороха и т. п). Крестьянам удается добиваться высоких урожаев, но дорогой ценой, а цена эта обусловлена затратами на борьбу с сорняками, на минеральные удобрения, на обработку почв и т. п. Устойчивое появление новых видов, например, травянистых растений, есть результат естественного сукцессионного процесса. То, что мы называем сорняками, не что иное, как пионерные виды растений, вредителями насекомые и другие животные, а возбудителями болезней микроорганизмы. Сорные растения, вредители и болезни могут уничтожить весь урожай, если активно не бороться с ними. Животноводство это так же путь к упрощению экосистемы, охраняя полезных ему сельскохозяйственных животных (коров, свиней, овец и др.), человек уничтожает диких животных: травоядных, как конкурентов в пищевых ресурсах, хищников, как уничтожающих домашний скот. Вылов ценных видов рыб упрощает экосистемы водоемов. Загрязнение воздушной и водной сред так же ведет к гибели деревьев и рыб и «обирает» природные экосистемы. В целом же, нетрудно догадаться, что по мере роста народонаселения, люди будут вынуждены преобразовывать все новые зрелые (климаксные) экосистемы в простые молодые продуктивные (например, путем уничтожения тропических лесов, осушения болот и т. п.) Для поддержания этих систем в «молодом» возрасте возрастет и использование топливно-энергетических ресурсов. Кроме того, произойдет утрата видового (генетического) разнообразия и природных ландшафтов (см. табл. 10.1). Молодая, продуктивная экосистема очень уязвима из-за монотипного видового состава, так как в результате какой-то экологической катастрофы, например, засухи, ее уже не восстановить из-за разрушения генотипа. Но для жизни человечества они (экосистемы) необходимы, поэтому наша задача сохранить баланс между упрощенными антропогенными и соседствующими с ними более сложными, с богатейшим генофондом, природными экосистемами, от которых они зависят. Энергетические затраты в сельском хозяйстве велики природные плюс субсидируемые человеком, и, тем не менее, самое продуктивное сельское хозяйство находится примерно на уровне продуктивных природных экосистем. 148 Продуктивность и тех и других основана на фотосинтезе, а верхний предел притока энергии для любой постоянной, длительно функционирующей системы составляет около 50 000 ккал/м 2г. Однако существенно различие между системами в распределении энергии: в антропогенной она поглощается лишь несколькими или вообще одним двумя видами, а в природной многими видами и веществами. Совсем по-другому обстоит дело в экосистемах четвертого типа, к которым относятся индустриально-городские системы, тут энергия топлива полностью заменяет солнечную энергию. По сравнению с потоком энергии в природных экосистемах здесь ее расход на два три порядка выше. Годовая потребность человека в пище около 1млн ккал, но если подсчитать затраты энергии на душу населения, существующие реально, то они окажутся в десятки раз больше (так, в США они в 86 раз больше). В разных странах эти затраты отличаются, но особенно большая разница между богатыми странами и развивающимися она может быть в странах третьего мира в несколько десятков (до сотни) раз меньше. Эти страны как бы находятся в стадии экосистемы первого второго типа, в то время как развитые страны уже прошли все четыре типа экосистем. 10.2. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ (АГРОЭКОСИСТЕМЫ) Главная цель создаваемых сельхозсистем рациональное использование тех биологических ресурсов, которые непосредственно вовлекаются в сферу деятельности человека источники пищевых продуктов, технологического сырья, лекарственных препаратов. Сюда же относятся специально культивируемые человеком виды, являющиеся объектами сельскохозяйственного производства: рыбоводства, звероводства, специального выращивания лесных культур, а также виды, используемые для промышленных технологий. Агроэкосистемы создаются человеком для получения высокого урожая чистой продукции автотрофов. Обобщая все уже сказанное выше об агроэкосистемах, подчеркнем следующие их основные отличия от природных: 1. В них резко снижено разнообразие видов: снижение разнообразия видов культивируемых растений снижает и видовое разнообразие животного населения биоценоза; видовое разнообразие разводимых человеком животных ничтожно мало по сравнению с природным; культурные пастбища (с подсевом трав) по видовому разнообразию похожи на сельскохозяйственные поля. 2. Виды растений и животных, культивируемых человеком, «эволюционируют» за счет искусственного отбора и неконкурентоспособны в борьбе с дикими видами без поддержки человека. 3. Агроэкосистемы получают дополнительную энергию, субсидируемую человеком, кроме солнечной. 4. Чистая продукция (урожай) удаляется из экосистемы и не поступает в цепи питания биоценоза, а частичное ее использование вредителями, потери при уборке, которые тоже могут попасть в естественные трофические цепи, всячески пресекаются человеком. 5. Экосистемы полей, садов, пастбищ, огородов и других агроценозов это упрощенные системы, поддерживаемые человеком на ранних стадиях сукцессии и они столь же неустойчивы и неспособны к саморегуляции, как и природные пионерные сообщества, поэтому они не могут существовать без поддержки человека. 6. В природных экосистемах первичная продукция через трофические цепи попадает в естественный биохимический круговорот и возвращается обратно в виде минеральных солей. В агроценозах значительно чаще происходит чрезмерное увеличение отдельных видов, названное Ч. Элтоном «экологическим взрывом». Из истории известны такие, например, «экологические взрывы»: в позапрошлом столетии грибок фитофторы уничтожил картофель во Франции и вызвал голод, а колорадский жук распространился в Америке до Атлантического океана и в начале ХХ в. проник в Западную Европу, в 40-х гг. в Европейскую часть России. В тяжелое 149 послевоенное время этот жук буквально очищал наши поля, поскольку мы были не готовы к этому нашествию. Чтобы не происходило таких явлений, необходима искусственная регуляция численности вредителей с быстрым подавлением тех, которые только пытаются выйти из-под контроля. При этом часто мнение человека не совпадает с «мнением» природы об избыточной численности того или иного вредителя. Так, с позиций естественного отбора стабилизация численности яблоневой плодожорки на некотором уровне не вредит существованию яблони как вида, но человеку нужно гораздо больше качественных плодов для питания. Поэтому в сельскохозяйственной практике он применяет такие средства для подавления численности вредителей и в таком количестве, что они во много раз воздействуют сильнее, чем природные абиотические и биотические регуляторы. К этим средствам относятся ядохимикаты, пестициды и др., которые загрязняют среду и включаются в виде ядов в трофические цепи. Загрязняя среду обитания, человек отравляет и сам себя. Упрощение природного окружения человека с экологических позиций очень опасно. Поэтому нельзя превращать весь ландшафт в агрохозяйственный, необходимо сохранять и умножать его многообразие, оставляя нетронутые заповедные участки, которые могли бы быть источником видов для восстанавливающихся в сукцессионных рядах сообществ. 10.3. ИНДУСТРИАЛЬНО-ГОРОДСКИЕ ЭКОСИСТЕМЫ О процессах урбанизации Урбанизация это рост и развитие городов, увеличение доли городского населения в стране за счет сельской местности, процесс повышения роли городов в развитии общества. Рост численности населения и его плотности характерная черта городов. Исторически самым первым городом с миллионным населением был Рим во времена Юлия Цезаря (4410 г. до н. э.). Самым большим городом мира в наше время является Мехико 14 млн человек по данным на 1990 г., в начале XXI в. ожидается, что его население превысит 30 млн человек. На этом же рубеже времени 16 млн человек, и даже более, могут достигнуть такие города, как Бомбей, Каир, Джакарта и Карачи, а в 20 млн и выше Сан-Паулу, Калькутта, Сеул. Население Москвы к концу 2002 г. превысило 10 млн человек. Общая площадь урбанизированных территорий Земли в 1980 г. составила 4,69 млн км2, а к 2007 г. она достигнет 19 млн км2 12,8% всей и более 20% жизнепригодной территории суши. К 2030 г. практически все население мира будет жить в поселках городского типа (Реймерс, 1990). Плотность населения в городах, особенно крупных, измеряется от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч человек на км2. Как известно, на человека не распространяется действие факторов, зависящих от плотности популяции, подавляющих размножение животных: интенсивность роста населения ими автоматически не снижается. Но, объективно, высокая плотность ведет к ухудшению здоровья, к появлению специфических болезней, связанных, например, с загрязнением среды, делает обстановку эпидемиологически опасной в случае вольного или невольного нарушения санитарных норм и др. Особенно интенсивно развиваются процессы урбанизации в развивающихся странах, о чем красноречиво свидетельствуют выше приведенные показатели роста численности городов в ближайшие годы. Человек сам создает эти сложные урбанистические системы, преследуя благую цель улучшить условия жизни, но не только просто «оградившись» от лимитирующих факторов, но и создать для себя новую искусственную среду, повышающую комфортность жизни. Однако это ведет к отрыву человека от естественной природной обстановки и к нарушению природных экосистем. Урбанистические системы Урбанистическая система (урбосистема) «неустойчивая природно-антропогенная система, состоящая из архитектурно-строительных объектов и резко нарушенных естественных экосистем» (Реймерс,1990). 150 По мере развития города в нем все более дифференцируются его функциональные зоны это промышленная, селитебная, лесопарковая. Промышленные зоны это территории сосредоточения промышленных объектов различных отраслей (металлургической, химической, машиностроительной, электронной и др.). Они являются основными источниками загрязнения окружающей среды. Селитебные зоны это территории сосредоточения жилых домов, административных зданий, объектов культуры, просвещения и т. п. Лесопарковая зона это зеленая зона вокруг города, окультуренная человеком, т. е. приспособленная для массового отдыха, спорта, развлечений. Возможны ее участки и внутри городов, но обычно здесь городские парки древесные насаждения в городе, занимающие достаточно обширные территории и тоже служащие горожанам для отдыха. В отличие от естественных лесов и даже лесопарков городские парки и подобные им более мелкие посадки в городе (скверы, бульвары) не являются самоподдерживающимися и саморегулируемыми системами. Лесопарковая зона, городские парки и другие участки территории, отведенные и специально приспособленные для отдыха людей, называют рекреационными зонами (территориями, участками и т. п.). Углубление процессов урбанизации ведет к усложнению инфраструктуры города. Значительное место начинает занимать транспорт и транспортные сооружения (автомобильные дороги, автозаправочные станции, гаражи, станции обслуживания, железные дороги со своей сложной инфраструктурой, в том числе подземные метрополитен; аэродромы с комплексом обслуживания и др.). Транспортные системы пересекают все функциональные зоны города и оказывают влияние на всю городскую среду (урбосреду). Среда, окружающая человека в этих условиях, это совокупность абиотической и социальных сред, совместно и непосредственно оказывающих влияние на людей и их хозяйство. Одновременно, по Н. Ф. Реймерсу (1990), ее можно делить на собственно природную среду («дикую» природу) и преобразованную человеком природную среду (антропогенные ландшафты вплоть до искусственного окружения людей здания, асфальт дорог, искусственное освещение и т. д., т. е. до искусственной среды). В целом же среда городская и населенных пунктов городского типа это часть техносферы, т. е. биосферы, коренным образом преобразованной человеком в технические и техногенные объекты. Помимо наземной части ландшафта в орбиту хозяйственной деятельности человека попадает и поверхностная часть литосферы, которую принято называть геологической средой (Е. М. Сергеев, 1979). Геологическая среда это горные породы, подземные воды, на которые оказывает воздействие хозяйственная деятельность человека (рис. 10.2). 151 Рис. 10.2. Взаимодействие технической системы с внешними средами (по В. А. Королеву, 1995): ТС техническая система; ПТС природно-техническая система; ЗВ зона воздействия (влияния) технической системы на геологическую среду На городских территориях, в урбоэкосистемах, можно выделить группу систем, отражающую всю сложность взаимодействия зданий и сооружений с окружающей средой, которые называют природно-техническими системами (Трофимов, Епишин, 1985) (рис. 10.2). Они теснейшим образом связаны с антропогенными ландшафтами, с их геологическим строением и рельефом. Таким образом, урбосистемы это средоточие населения, жилых и промышленных зданий и сооружений, существование которых зависит от энергии горючих ископаемых и атомноэнергетического сырья, искусственно регулируется и поддерживается человеком. Среда урбосистем, как ее географическая и геологическая части, наиболее сильно изменена и по сути дела стала искусственной, здесь возникают проблемы утилизации и реутилизации вовлекаемых в оборот природных ресурсов, загрязнения и очистки окружающей среды, здесь происходит все большая изоляция хозяйственно-производственных циклов от природного обмена веществ (биогеохимических оборотов) и потока энергии в природных экосистемах. И, наконец, именно здесь наибольшая плотность населения и искусственная среда, которые угрожают не только здоровью человека, но и выживанию всего человечества. Здоровье человека индикатор качества этой среды. Контрольные вопросы 1. Какие фундаментальные типы экосистем выделены Ю. Одумом и какой принцип положен в основу их выделения? 2. Что характерно для первого и второго типа экосистем (природных)? 3. Чем отличается третий тип экосистем (агроэкосистем) от похожих на них природных экосистем? 4. В чем особенности четвертого типа экосистем (индустриально-городских) и их энергетики? 5. Что такое урбанизация и урбанистические системы? 6. Что понимается под природно-технической системой и искусственной средой? 152 ГЛАВА 11. ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА 11.1. ПОНЯТИЯ «ЗДОРОВЬЕ» И «ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА» Определение здоровья сформулировано в Уставе ВОЗ следующим образом: «Здоровье это состояние полного физического, душевного и социального благополучия, а не только отсутствие болезней и физических дефектов». От индивидуального здоровья следует отличать популяционное, или общественное, здоровье, которое характеризуется системой статистических демографических показателей, показателей дееспособности, заболеваемости и т. д. Здоровье человека зависит от состояния окружающей среды, в которой действуют природно-экологические, социальноэкологические и другие факторы. Если человек находится в природных условиях, на него действуют, преимущественно, природно-экологические факторы, если на урбанизированной территории, преимущественно социально-экологические, создающие так называемую искусственную среду. Но, в отличие от последних, природно-экологические факторы действуют повсеместно (см. гл. 9). Природноэкологические факторы характеризуют воздействие на человека климатических, геологических и биологических особенностей ландшафтов различного уровня, где проживает и работает человек. Значительная часть россиян проживает в неблагоприятных природных условиях (рис. 11.1). В реальных условиях жизни на эти факторы накладывает свой очень значимый отпечаток социум это сложный комплекс факторов, формирующих условия труда и быта населения. Весь этот социальноэкономический уклад «воздействует на человека через социально-правовое положение, материальную обеспеченность, уровень культуры и образование» (В. Ф. Протасов, 2001). Рис. 11.1 Природные условия жизни населения россии (Протасов, 2001) 153 11.2. ВЛИЯНИЕ ПРИРОДНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА Изначально Homo Sapiens жил в окружающей природной среде, как и все консументы экосистемы, и был практически незащищен от действия ее лимитирующих экологических факторов. Первобытный человек был подвержен тем же факторам регуляции и саморегуляции экосистемы, что и весь животный мир, продолжительность его жизни была небольшой и весьма низкой была плотность популяции. Главными из ограничивающих факторов были гипердинамия и недоедание. Среди причин смертности на первом месте стояли патогенные (вызывающие болезни) воздействия природного характера. Особое значение среди них имели инфекционные болезни, отличающиеся, как правило, природной очаговостью. Суть природной очаговости в том, что возбудители болезней, специфические переносчики и животные-аккумуляторы, хранители возбудителя, существуют в данных природных условиях (очагах) вне зависимости от того, обитает здесь человек или нет. Человек может заразиться от диких животных («резервуара» возбудителей), проживая в этой местности постоянно или случайно оказавшись здесь. К таким животным обычно относятся грызуны, птицы, насекомые и др. Все эти животные входят в состав биоценоза экосистемы, связанного с определенным биотопом. Отсюда природные очаговые болезни тесно связаны с определенной территорией, с тем или иным типом ландшафта, а значит, с климатическими его особенностями, например, отличаются сезонностью проявления. Е. П. Павловский (1938), впервые предложивший понятие природного очага, относил к природно-очаговым болезням чуму, туляремию, клещевой энцефалит, некоторые гельминтозы и др. Исследования показали, что в одном очаге может содержаться несколько болезней. Природно-очаговые болезни являлись основной причиной гибели людей вплоть до начала ХХ в. Наиболее страшной из таких болезней была чума, смертность от которой во много раз превосходила гибель людей в бесконечных войнах Средневековья и более позднего времени. Чума острое инфекционное заболевание человека и животных, относится к карантинным болезням. Возбудителем является чумной микроб в виде яйцевидной биполярной палочки. Эпидемии чумы охватывали многие страны мира. В VI в. до н. э. в Восточной Римской империи за 50 лет погибло более 100 млн человек. Не менее опустошительной была эпидемия в ХIV в. С ХIV в. чума неоднократно отмечалась в России, в том числе и в Москве. В ХIХ в. она «косила» людей в Забайкалье, Закавказье, в Прикаспии и даже в начале ХХ в. наблюдалась в портовых городах Черного моря, в том числе и в Одессе. В ХХ в. крупные эпидемии регистрировались в Индии. Заболевания, связанные с окружающей человека природной средой, существуют и в настоящее время, хотя с ними ведется постоянная борьба. Это объясняется, в частности, причинами сугубо экологической природы, например, резистентностью (выработкой сопротивления к различным факторам воздействия) носителей возбудителей и самих возбудителей болезней. Характерным примером этих процессов является борьба с малярией. Малярия заболевание, вызываемое заражением паразитами рода Plasmodeum, передаваемое укусом зараженного малярийного комара. Это заболевание экологическая и социальноэкономическая проблема. В 1955 г., по данным ЮНЕП (1979), число заболевших малярией составило от 200 до 255 млн человек из 2,65 млрд, проживавших в то время в малярийных районах, и умирало ежегодно примерно 2 млн человек. Против комаров в 1943 г. начали применять ДДТ, особенно интенсивно с 1956 г. ДДТ и другие пестициды мощные и стойкие, но уже к 70-гг. число популяций комаров, стойких к ДДТ, возросло настолько, что число заболеваний, например, только в Индии возросло до 6 млн уже в 1976 г., в то время как в 1966 г. их было всего 40 тыс. (Состояние окружающей среды, 1979). К 1976 г. 43 вида комаров стали резистентны к различным инсектицидам. Другой фактор, препятствующий ликвидации малярии, у ее паразита появилась устойчивость к лекарствам от малярии (хлохину). Сейчас больше внимания уделяется комплексным, экологически оправданным методам борьбы с малярией методам «управления жизненной средой». К ним относятся осушение заболоченных территорий, уменьшение солености воды и др. Следующие группы методов биологические 154 использование других организмов для снижения опасности комара в 40 странах для этого используется не менее 265 видов личиноядных рыб, а также микробы, вызывающие болезни и гибель комаров. Чума и другие инфекционные болезни (холера, малярия, сибирская язва, туляремия, дизентерия, дифтерия, скарлатина и др.) уничтожали людей различного возраста, в том числе и репродукционного. Это обусловило достаточно медленный рост населения первый миллиард человек на Земле появился в 1860 г. Но открытия Пастера и других в конце ХIХ в., давшее мощный толчок развитию профилактической медицины в ХХ в. в лечении весьма тяжелых заболеваний, резкое улучшение санитарно-гигиенических условий жизни, культуры и образованность людей, в целом, привели к резкому снижению заболеваемости природно-очаговыми болезнями, а некоторые из них практически исчезли в ХХ в. К природно-экологическим факторам, воздействующим на здоровье человека, следует отнести и геохимические и геофизические поля. Аномалии этих полей, т. е. участки (территории) на поверхности Земли, на которых их количественные характеристики отличаются от естественного фона, могут стать источником возникновения болезней биоты и человека. Такое явление называют геопатогенезом, а участки (территории), где они наблюдаются, геопатогенными зонами. Геопатогенные зоны можно по признакам воздействия на биоту и человека сравнить с природной очаговостью. Геопатогенные зоны, связанные с геохимическим полем, воздействуют на человека содержащимися в них токсичными химическими элементами, связанные с радиоактивным полем повышенным выделением радона, с наличием других радионуклидов, т. е. механизм патогенеза в данном случае достаточно ясен обмен между источником и объектом воздействия. Здесь уже достаточно известны формы патогенеза и меры борьбы с ним, в том числе и профилактические. Геопатогенез, обусловленный геофизическими полями, изучен слабо, особенно механизм передачи патогенного воздействия на живые организмы. Тем не менее известны отдельные факты, когда на участках геологически активных зон устанавливалось нарушение ионного равновесия электростатического поля в сторону увеличения количества положительных аэроионов, при общем уменьшении ионизации воздуха, что привело к снижению иммунитета у людей и как следствие к появлению онкологических заболеваний. У человека с действием геофизических полей «связаны и мозговые ритмы, сосудистые волны, изменение вегетативных физиологических параметров, психических функций и т. д.» (Трофимов, Зилинг, 2002). В связи с этим следует отметить влияние возмущений электромагнитного поля, создаваемых вспышками на Солнце, которые могут длится секундами, минутами и часами. Именно эта кратковременность вспышек, опережающая время адаптационного периода, не позволяет человеку, а возможно и некоторым представителям биоты, выработать адаптационное «противоядие» к таким колебаниям. Они вызывают болезни у людей, например, с ослабленной сосудистой системой: повышение артериального давления, головные боли, а в особо тяжелых случаях вплоть до инсульта или инфаркта и т. п. Статистически подтверждается значительное обострение сосудистых заболеваний у людей при перепаде солнечной активности. Распространенность такой геопатологии объясняется еще и тем, что человек в значительной мере изолирован в своей жизни от этих природных процессов. 11.3. ВЛИЯНИЕ СОЦИАЛЬНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА Чтобы бороться с действием естественных факторов регуляции экосистемы, человеку пришлось использовать природные ресурсы, в том числе и невосполнимые, и создать искусственную среду для своего выживания. Искусственная среда так же требует адаптации к себе, которая происходит через болезни. Главную роль в возникновении болезней в этом случае играют следующие факторы: гиподинамия, 155 переедание, информационное изобилие, психоэмоциональный стресс. В связи с этим наблюдается постоянный рост «болезней века»: сердечно-сосудистых, онкологических, аллергических заболеваний, психических расстройств и, наконец, СПИДа и др. Природная среда сейчас сохранилась лишь там, где она не была доступна людям для ее преобразования. Урбанизированная, или городская, среда это искусственный мир, созданный человеком, не имеющий аналогов в природе и способный существовать только при постоянном обновлении. Социальная среда сложно интегрируется с любой окружающей человека средой, и все факторы каждой из сред «тесно взаимосвязаны между собой и испытывают объективные и субъективные стороны «качества среды жизни» (Реймерс, 1994). Эта множественность факторов заставляет более осторожно подходить к оценке качества среды жизни человека по состоянию его здоровья. Необходимо тщательно подходить к выбору объектов и показателей, диагностирующих среду. Ими могут быть короткоживущие изменения в организме, по которым можно судить о разных средах дом, производство, транспорт, и долгоживущие в данной конкретной городской среде, некоторые адаптации акклиматизационного плана и др. Влияние городской среды достаточно ярко подчеркивается определенными тенденциями современного состояния здоровья человека. С медико-биологических позиций наибольшее влияние экологические факторы городской среды оказывают на следующие тенденции: 1) процесс акселерации, 2) нарушение биоритмов, 3) аллергизация населения, 4) рост онкологической заболеваемости и смертности, 5) рост доли лиц с избыточным весом, 6) отставание физиологического возраста от календарного, 7) «омоложение» многих форм паталогии, 8) абиологическая тенденция в организации жизни и др. Акселерация это ускорение развития отдельных органов или частей организма по сравнению с некой биологической нормой. В нашем случае это увеличение размеров тела и значительный сдвиг во времени в сторону более раннего полового созревания. Ученые полагают, что это эволюционный переход в жизни вида, вызванный улучшающимися условиями жизни: хорошее питание, «снявшее» лимитирующее действие пищевых ресурсов, что спровоцировало процессы отбора, ставшие причиной акселерации. Биологические ритмы важнейший механизм регуляции функций биологических систем, сформировавшиеся, как правило, под воздействием абиотических факторов, в условиях городской жизни могут нарушаться. Это, прежде всего, относится к циркадным ритмам: новым экологическим фактором стало использование электроосвещения, продлившее световой день. На это накладывается десинхроноз, возникает хаотизация всех прежних биоритмов и происходит переход к новому ритмическому стереотипу, что вызывает болезни у человека и у всех представителей биоты города, у которых нарушается фотопериод. Аллергизация населения одна из основных новых черт в измененной структуре паталогии людей в городской среде. Аллергия извращенная чувствительность, или реактивность, организма к тому или иному веществу, так называемому аллергену (простые и сложные минеральные и органические вещества). Аллергены бывают внешние экзоаллергены, и внутренние аутоаллергены, по отошению к организму. Экзоаллергены могут быть инфекционными болезнетворные и неболезнетворные микробы, вирусы и др., и неинфекционными домашняя пыль, шерсть животных, пыльца растений, лекарственные препараты, другие химические вещества бензин, хлорамин и т. п., а также мясо, овощи, фрукты, ягоды, молоко и др. Аутоаллергены это кусочки тканей поврежденных органов (сердце, печень), а также ткани, поврежденные при ожоге, лучевом воздействии, отморожении и т. п. 156 Причина аллергических заболеваний (бронхиальная астма, крапивница, лекарственная аллергия, ревматизм, волчанка красная и др.) в нарушении иммунной системы человека, которая в результате эволюции находилась в равновесии с природной средой. Городская же среда характеризуется резкой сменой доминирующих факторов и появлением совершенно новых веществ загрязнителей, давление которых ранее иммунная система человека не испытывала. Поэтому аллергия может возникнуть без особого на то сопротивления организма и трудно ожидать, что он вообще станет к ней резистентным. Онкологическая заболеваемость и смертность одна из наиболее показательных медицинских тенденций неблагополучия в данном городе или, например, в зараженной радиацией сельской местности (Яблоков, 1989, и др.). Эти заболевания вызваны опухолями. Опухоли («onkos» греч.) новообразования, избыточные патологические разрастания тканей. Они могут быть доброкачественные уплотняющие или раздвигающие окружающие ткани, и злокачественные прорастающие в окружающие ткани и разрушающие их. Разрушая сосуды, они попадают в кровь и разносятся по всему организму, образуя так называемые метастазы. Доброкачественные опухоли метастаз не образуют. Развитие злокачественных опухолей, т. е. заболевание раком, может возикнуть в результате длительного контакта с определенными продуктами: рак легких у рудокопов урановых рудников, рак кожи у трубочистов и т. п. Это заболевание вызывается определенными веществами, называемыми канцерогенными. Канцерогенные вещества (перевод с греческого «рождающие рак»), или просто канцерогены, химические соединения, способные вызвать злокачественные и доброкачественные новообразования в организме при воздействии на него. Их известно несколько сот. По характеру действия они раздляются на три группы: 1) местного действия; 2) органотропные, т. е. поражающие определенные органы; 3) множественного действия, вызывающие опухоли в разных органах. К канцерогенам относятся многие циклические углеводороды, азотокрасители, алкалирующие соединения. Они содержатся в загрязненном промышленными выбросами воздухе, в табачном дыме, каменноугольной смоле и саже. Многие канцерогенные вещества оказывают мутогенное воздействие на организм. Помимо канцерогенных веществ опухоли вызывают еще и опухолеродные вирусы, а также действие некоторых излучений ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного и др. Кроме человека и животных опухоли поражают и растения. Они могут быть вызваны грибами, бактериями, вирусами, насекомыми, действием низких температур. Они образуются на всех частях и органах растений. Рак корневой системы приводит к их преждевременной гибели. В экономически развитых странах смертность от рака стоит на втором месте. Но не обязательно все виды рака встречаются в одном и том же районе. Известна приуроченность отдельных форм рака к тем или иным условиям, например, рак кожи чаще встречается в жарких странах, где избыток ультрафиолетового излучения. Но заболеваемость раком определенной локализации у человека может изменяться в зависимости от изменений условий его жизни. Если человек переехал в ту местность, где эта форма встречается редко, снижается опасность заболевания именно этой формой рака, и, соответственно, наоборот. Таким образом, ярко выделяется зависимость между раковыми заболеваниями и экологической обстановкой, т. е. качеством окружающей среды, в том числе и городской. Экологический подход к этому явлению говорит о том, что первопричиной рака в большинстве случаев являются процессы и приспособления обмена веществ к воздействию новых, отличных от природных факторов и, в том числе, канцерогенных веществ. Вообще, рак надо рассматривать как результат разбалансирования организма и, поэтому, его вызвать может в принципе любой фактор среды или их комплекс, способные привести организм в разбалансированное состояние. Например, вследствие превышения верхней пороговой концентрации загрязнителей воздуха, питьевой воды, токсичных химических элементов в рационе питания и т. п., т. е. тогда, когда нормальная регуляция функций организма становится невозможной (рис. 11.2). 157 Рис. 11.2. Зависимость регуляторных процессов в организме от содержания химических элементов в рационе (по В. В. Ковальскому, 1976) Рост доли лиц с избыточным весом так же явление, вызванное особенностями городской среды. Переедание, малая физическая активность и прочее, безусловно, здесь имеют место. Но избыток питания необходим для создания энергетических запасов, чтобы противостоять резкому дисбалансу средовых воздействий. Тем не менее, одновременно наблюдается рост в популяции доли представителей астенического типа: происходит размывание «золотой середины» и намечаются две противоположные стратегии адаптации: стремление к полноте и похуданию (тенденция значительно слабее). Но и то и другое влечет за собой целый ряд патогенных последствий. Рождение на свет большого количества недоношенных детей, а значит, физически незрелых, показатель крайне неблагоприятного состояния среды обитания человека. Оно связано с нарушением в генетическом аппарате и просто с ростом адаптируемости к изменениям среды. Физиологическая незрелость является результатом резкого дисбаланса со средой, которая слишком стремительно трансформируется (Городская среда:…, 1990) и может иметь далеко идущие последствия, в том числе привести к акселерации и другим изменениям в росте человека. Современное состояние человека, как биологического вида, характеризуется еще целым рядом медико-биологических тенденций, связанных с изменениями в городской среде: рост близорукости и кариеса зубов у школьников, возрастание удельного веса хронических заболеваний, появление ранее неизвестных болезней производных научно-технического прогресса: радиационная, авиационная, автомобильная, лекарственная, многие профессиональные заболевания и т. д. В большинстве своем эти болезни есть результат воздействия антропогенно-экологических факторов, которые рассматриваются во второй части учебника. Инфекционные болезни тоже неискоренены в городах. Количество людей, пораженных малярией, гепатитом и многими другими болезнями, исчисляется огромными цифрами. Многие медики считают, что следует говорить не о «победе», а лишь о временном успехе в борьбе с этими болезнями. Объясняется это тем, что слишком коротка история борьбы с ними, а непредсказуемость изменений в городской среде может свести на нет эти успехи. По этой причине «возврат» инфекционных агентов фиксирутся среди вирусов, а многие вирусы «отрываются» от природной основы и переходят в новую стадию, способную жить в среде обитания человека, становятся возбудителями гриппа, вирусной формы рака и других болезней (возможно такой формой является вирус ВИЧ). По своему механизму действия эти формы можно приравнять к природно-очаговым, которые и в городской среде тоже имеют место (туляремия и др.). За последние годы в Юго-Восточной Азии люди гибнут от совершенно новых эпидемий 158 «атипичная пневмония» в Китае, «птичий грипп» в Таиланде. По данным НИИ микробиологии и эпидемиологии им. Пастера (Советская Россия. 2004. № 21. 14 февр.), «виноваты» в этом не только мутагенные вирусы, но и, вообще, слабая изученность микроорганизмов всего их изучено 13% от общего количества. Исследователи просто не знали раньше тех микробов, которые явились причиной «новых» инфекций. Так, за последние 30 лет ликвидировано 68 инфекций, но за этот же период появилось более 30 новых инфекционных заболеваний, в том числе за 19811989 гг. 15, среди которых ВИЧ-инфекция, гепатиты Е и С, на счету которых уже миллионы жертв. В последующие десятилетия было открыто еще 14 новых возбудителей, среди которых достаточно назвать «прионы», с которыми связана эпидемия «коровьего бешенства», а у человека они могут вызвать заболевание энцефалопатию (поражение головного мозга и центральной нервной системы). Известны и такие факторы риска, которые связаны с миграцией возбудителей на новые территории (вспышка в 1999 г. «лихорадки Западного Нила» в США, где она никогда не регистрировалась), а с другой стороны очень резкое усиление миграции населения по всему миру, происходит перемешивание людских коллективов, которое всегда ведет к перемешиванию возбудителей инфекции. Поэтому можно ожидать и в России возбудителей заразных болезней из самых глухих дебрей Африки, болот Юго-Восточной Азии и т. д. Кроме того, миграция населения в зону природно-очаговой инфекции, например, клещевого энцефалита, приводит к коллективному заболеванию новых поселенцев, ибо местное население, в большинстве своем, обладает иммунитетом против этого заболевания. На урбанизированных территориях человек может и сам проложить пути для инфекции к своему жилищу в подведенных подземных коммуникациях поселяются крысы и мыши разносчики возбудителей инфекции, которые легко проникают прямо в жилье людей. На эпидемическую ситуацию большое влияние оказывают и чисто социальные факторы. Так, бедность и недоедание населения самые благоприятные условия для роста количества инфекционных заболеваний. Кроме того, во всех социальных слоях снижается сопротивление организма человека к инфекциям в результате роста стрессовых ситуаций. Абиологические тенденции, под которыми понимаются такие черты образа жизни человека, как гиподинамия, курение и др., тоже являются причиной многих заболеваний ожирение, рак, кардиологические болезни и др. К этому ряду относится и стерилизация среды фронтальная борьба с вирусно-микробным окружением, когда вместе с вредными уничтожаются и полезные формы живого окружения человека. Это происходит в силу того, что в медицине еще есть недопонимание важной роли в патологии надорганизменных форм живого, т. е. человеческой популяции. Поэтому большим шагом вперед является развиваемое экологией представление о здоровье как о состоянии биосистемы и его теснейшей связи со средой, а патологические явления при этом рассматриваются как вызванные ею приспособительные процессы. В приложении к человеку нельзя отрывать биологическое от воспринятого в ходе социальной адаптации. Для личности важна и этническая среда, и форма трудовой деятельности, и социальная, экономическая определенность дело лишь в степени и времени воздействия. К сожалению, примером отрицательного воздействия таких факторов на здоровье человека и на его популяцию является Российская Федерация. Здоровье людей и особенности демографической ситуации в России. В России, за последние более чем 10 лет, с начала перехода на так называемую «рыночную экономику», демографическая ситуация стала критической: смертность стала превышать рождаемость в среднем по стране в 1,7 раза, а в 2000 г. ее превышение достигло двух раз. Сейчас население России убывает ежегодно на 0,70,8 млн человек. По прогнозу Госкомстата России и Центра демографии и экологии человека Института народнохозяйственного прогнозирования РАН, к 2050 г. население России сократится на 51 млн человек, или на 35,6% по сравнению с 2000 г., и составит 94 млн человек (В. Ф. Протасов, 2001). В 1995 г. в России был зарегистрирован один из самых низких в мире показателей рождаемости 9,2 младенца на 1000 человек, в то время как в 1987 г. он составлял 17,2 (в США 16 младенцев на 159 1000 человек). Для простого воспроизводства населения необходимо, чтобы коэффициент рождаемости на одну семью составлял 2,142,15, а в нашей стране на сегодня он равен 1,4, т. е. налицо процесс сокращения численности человеческой популяции (явление депопуляции) в России. Естественное движение населения России: состояние и прогноз (в промилле, т. е. прибыль и убыль населения в количестве человек, приходящихся на 1000 жителей) приведено на рис. 11.3 (Аналитический вестник № 10(55) «Здоровье населения как фактор обеспечения национальной безопасности», ФС, М., 1997: приводится по книге В. Ф. Протасова, 2001 г.). Рис. 11.3. Естественное движение населения России: состояние и прогноз (в промилле). (Протасов, 2001) Выше (гл. 9, параграф 9.2) мы привели мнение академика Н. Ф. Реймерса о том, что при экономически благоприятных условиях начнет реально действовать регулируемый механизм депопуляции и через три поколения человечество бесконфликтно сократится до 11,5 млрд. Видимо, если стать на эту точку зрения, мы имеем дело с аномальным явлением депопуляции. Действительно, в России сформировалась нетипичная ни для одной страны мира динамика смертности: рост числа умерших происходит при сокращении населения, тогда как обычно наоборот. Высока вероятность развития этой тенденции на длительную перспективу. Все это произошло не в результате истощения доступных человечеству ресурсов в богатейшей ими стране мира, а в результате резкого изменения, практически на противоположные, подавляющего большинства социальных факторов у почти 90% населения. Это привело к тому, что 70% населения России живет в состоянии затяжного психоэмоционального и социального стресса, который истощает приспособительные и компенсаторные механизмы, поддерживающие здоровье. Кроме того, одной из составляющих причин роста смертности является и все ухудшающееся экологическое состояние территории России. Заметно сократилась и продолжительность жизни как мужского, так женского населения. Если в начале 70-х гг. ХХ в. она у россиян была на 2 года ниже, чем в развитых странах Европы, Северной Америки, Австралии и Японии, то в настоящее время эта разница 810 лет. В настоящее время в России мужчины живут в среднем 5758 лет, женщины 7071 год последнее место в Европе. «Все это свидетельствует о том, что без изменений политической, социально-экономической и экологической обстановки на территории России в обозримой перспективе возможен «страшный взрыв», с катастрофически уменьшающейся численностью населения и снижения продолжительности жизни» (В. Ф. Протасов, 2001). 11.4. ГИГИЕНА И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА Сохранение здоровья или возникновение болезни это результат сложных взаимодействий внутренних биосистем организма и внешних факторов окружающей среды. Познание этих сложных взаимодействий явилось основой для возникновения профилактической медицины и ее научной 160 дисциплины гигиены. Гигиена наука о здоровом образе жизни. Интенсивно начала развиваться более 100 лет назад благодаря работам Л. Пастера, Р. Коха, И. И. Мечникова и др. Гигиенисты первыми увидели связь между средой и здоровьем человека, и за последние десятилетия эта наука получила мощное развитие, заложив основы современной науки об охране окружающей среды. Однако у гигиены как отрасли медицинской науки есть и свои специфические задачи. Гигиена изучает влияние разнообразных факторов среды на здоровье человека, его работоспособность и продолжительность жизни. К ним относятся природные факторы, бытовые условия и общественно-производственные отношения. В ее основные задачи входит разработка научных основ санитарного надзора, обоснование санитарных мероприятий по оздоровлению населенных пунктов и мест отдыха, охрана здоровья детей и подростков, разработка санитарного законодательства, санитарная экспертиза качества пищевых продуктов и предметов бытового обихода. Важнейшей задачей этой науки является разработка гигиенических нормативов для воздуха населенных мест и промпредприятий, воды, продуктов питания и материалов для одежды и обуви человека с целью сохранения его здоровья и предупреждения заболеваний. Главным стратегическим направлением в научно-практической деятельности гигиенистов является научное обоснование того экологического оптимума, которому должна соответствовать среда обитания человека. Этот оптимум должен обеспечить человеку нормальное развитие, хорошее здоровье, высокую трудоспособность и долголетие. Оттого, насколько верен этот «оптимум» в конкретном районе, городе и даже регионе, зависит очень многое и, прежде всего, надежность и правильность решений, принятых наукой об охране природы на данной территории. Конечно, задачи охраны окружающей природной среды и рационального природопользования значительно шире задач гигиенической науки, но в конечном счете они служат одной цели улучшению среды обитания человека, а следовательно, его здоровья и благополучия. Здоровье и благополучие человека зависят от решения множества проблем, в том числе и указанных в этом разделе перенаселение Земли в целом и отдельных регионов, ухудшение среды жизни городов и сельской местности, а отсюда ухудшение здоровья людей, возникновение «психологической усталости» и т. п. 11.5. ВАЛЕОЛОГИЯ НАУКА О ЗДОРОВЬЕ Если гигиена, образно говоря, исходит из задач улучшения общественного здоровья через повышения качества окружающей среды на всех ее уровнях, то индивидуальное здоровье человека всесторонне рассматривает интенсивно развивающаяся в последнее время отрасль медицины валеология. Валеология отдает предпочтение охране здоровья практически здорового человека исходя из следующего положения: сохранение и укрепление здоровья представляет собой, по сути, проблему управления здоровьем. «Валеология теория и практика формирования, сохранения и укрепления здоровья индивида с использованием медицинских и парамедицинских технологий» (Г. Л. Апанасенко, Л. А. Попова, 2000). Предмет валеологии индивидуальное здоровье человека, его механизмы, главным объектом ее является здоровый человек, а основной задачей разработка и реализация методов и способов, которые позволили бы управлять здоровьем человека таким образом, чтобы он не стал больным, т. е. объектом традиционной медицины. Валеология рассматривает человеческий организм как целостную биосистему. Поэтому она исходит из того, что организм человека способен к сохранению индивидуального существования за счет самоорганизации, саморегуляции и самовосстановления. В своем онтогенезе он проявляет способность, как и любой живой организм, к саморазвитию и самовоспроизведению. Способность одновременно реализовать все выше приведенные качества определяет феномен биологической жизни (Г. Л. Апанасенко, Л. А. Попова, 2000). Иными словами, валеология смотрит на индивидуума 161 Homo Sapiens с экологических позиций, и, в этом смысле, ее можно отнести к разряду экологических наук. Контрольные вопросы 1. В чем суть понятий «здоровье» и «окружающая среда»? 2. Каким ограничительным факторам был подвержен первобытный человек? 3. Почему вплоть до начала ХХ в. господствовали инфекционные болезни? 4. Что такое геопатогенез и в чем суть его влияния на здоровье человека? 5. На какие тенденции оказывают наибольшее влияние экологические факторы городской среды? 6. Какие экологические факторы приводят к акселерации, нарушению биоритмов и аллергизации населения? 7. Почему в городах появляются новые и возвращаются прежние инфекционные заболевания? 8. В чем суть абиологических тенденций? 9. Какими причинами объясняется развитие сложной демографической обстановки в России? 10. Что такое гигиена и гигиенические нормативы? экологический оптимум среды обитания человека? 11. В чем суть науки валеологии и как она соотносится с экологией? 162 РАЗДЕЛ IV. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОСФЕРУ ГЛАВА 12. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ АНТРОПОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА БИОСФЕРУ 12.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Биосфера, весьма динамичная планетарная экосистема, во все периоды своего эволюционного развития постоянно изменялась под воздействием различных природных процессов. В результате длительной эволюции биосфера выработала способность к саморегуляции и нейтрализации негативных процессов. Достигалось это посредством сложного механизма круговорота веществ, рассмотренного нами во втором разделе. Главным событием эволюции биосферы признавалось приспособление организмов к изменившимся внешним условиям путем изменения внутривидовой информации. Гарантом динамической устойчивости биосферы в течение миллиардов лет служила естественная биота в виде сообществ и экосистем в необходимом объеме. Однако по мере возникновения, совершенствования и распространения новых технологий (охота земледельческая культура промышленная революция) планетарная экосистема, адаптированная к воздействию природных факторов, все в большей степени стала испытывать влияние новых небывалых по мощности и разнообразию воздействий. Вызваны они человеком, а потому называются антропогенными. Под антропогенными воздействиями понимают деятельность, связанную с реализацией экономических, военных, рекреационных, культурных и других интересов человека, вносящую физические, химические, биологические и другие изменения в природную среду. Американский эколог Б. Коммонер (1974) выделил пять видов вмешательства человека в экологические процессы: упрощение экосистемы и разрыв биологических циклов; концентрация рассеянной энергии в виде теплового загрязнения; рост ядовитых отходов от химических производств; введение в экосистему новых видов; появление генетических изменений в организмах растений и животных. Подавляющая часть антропогенных воздействий носит целенаправленный характер, т. е. осуществляется человеком сознательно во имя достижения конкретных целей. Существуют и антропогенные воздействия стихийные, непроизвольные, имеющие характер последействия. Например, к этой категории воздействий относятся процессы подтопления территории, возникающие после ее застройки и др. Нарушения основных систем жизнеобеспечения биосферы связаны в первую очередь с целенаправленными антропогенными воздействиями. По своей природе, глубине и площади распространения, времени действия и характеру приложения они могут быть различными: длительными и кратковременными, площадными и точечными, прямыми и косвенными и т. д. (Сергеев, Трофимов,1985). Анализ экологических последствий антропогенных воздействий позволяет разделить все их виды на положительные и отрицательные (негативные). К положительным воздействиям человека на биосферу можно отнести воспроизводство природных ресурсов, восстановление запасов подземных вод, полезащитное лесоразведение, рекультивацию земель на месте разработок полезных ископаемых и некоторые другие мероприятия. Отрицательное (негативное) воздействие человека на биосферу проявляется в самых разнообразных и масштабных акциях: вырубке леса на больших площадях, истощении запасов пресных подземных вод, засолении и опустынивании земель, резком сокращении численности и видов животных и растений и т. д. 163 К числу основных глобальных факторов дестабилизации природной среды относятся (Экологическая доктрина Российской Федерации, 2002): рост потребления природных ресурсов при их сокращении; рост населения планеты при сокращении для обитания территорий; деградации основных компонентов биосферы, снижение способности природы к самоподдержанию; возможные изменения климата и истощение озонового слоя Земли; сокращение биологического разнообразия; возрастание экологического ущерба от стихийных бедствий и техногенных катастроф; недостаточный уровень координаций действий мирового сообщества в области решения экологических проблем. 12.2. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГЛАВНЕЙШИЙ ВИД НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОСФЕРУ Главнейшим и наиболее распространенным видом отрицательного (негативного) воздействия человека на биосферу является загрязнение. Большинство экологических ситуаций в мире и в России так или иначе связаны с загрязнением окружающей среды (Чернобыль, кислотные дожди, опасные отходы и т. д.). Поэтому понятие «загрязнение» рассмотрим подробнее. Загрязнением называют поступление в окружающую природную среду любых твердых, жидких и газообразных веществ, микроорганизмов или энергий (в виде звуков, шумов, излучений) в количествах вредных для здоровья человека, животных, состояния растений и экосистем. Более развернутую характеристику этого понятия приводит известный французский ученый Ф. Рамад (1981): «Загрязнение есть неблагоприятное изменение окружающей среды, которое целиком или частично является результатом человеческой деятельности, прямо или косвенно меняет распределение приходящей энергии, уровни радиации, физико-химические свойства окружающей среды и условия существования живых существ. Эти изменения могут влиять на человека прямо или через сельскохозяйственную продукцию, через воду или другие биологические продукты (вещества)». По объектам загрязнения различают загрязнение поверхностных и подземных вод, загрязнение атмосферного воздуха, загрязнение почв и т. д. В последние годы актуальными стали и проблемы, связанные с загрязнением околоземного космического пространства. К настоящему времени на рабочие орбиты выведено более двадцати тысяч космических объектов, а общая масса отработавших объектов (космического мусора) превышает 3000 т. Природными загрязнителями могут быть пыльные бури, вулканический пепел, селевые потоки и др. Источниками антропогенного загрязнения, наиболее опасного для популяций любых организмов, входящих в состав экосистем, являются промышленные предприятия (химические, металлургические, целлюлозно-бумажные, строительных материалов и др.), теплоэнергетика, транспорт, сельскохозяйственное производство и другие технологии. Под влиянием урбанизации в наибольшей степени загрязнены территории крупных городов и промышленных агломераций. По видам загрязнений выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнение (рис. 12.1 по Н. Ф. Реймерсу, 1990; с изменениями). 164 Рис. 12.1. Виды загрязнения окружающей среды По своим масштабам и распространению загрязнение может быть локальным (местным), региональным и глобальным. Количество загрязняющих веществ в мире огромно, и число их по мере развития новых технологических процессов постоянно растет. В этом отношении «приоритет» как в локальном, так и в глобальном масштабе ученые отдают следующим загрязняющим веществам: диоксиду серы (с учетом эффектов вымывания диоксида серы из атмосферы и попадания образующихся серной кислоты и сульфатов на растительность, почву и в водоемы); 165 тяжелым металлам: в первую очередь свинцу, кадмию и особенно ртути (с учетом цепочек ее миграции и превращения в высокотоксичную метилртуть); некоторым канцерогенным веществам, в частности бенз(а)пирену; нефти и нефтепродуктам в морях и океанах; хлорорганическим пестицидам (в сельских районах); оксиду углерода и оксидам азота (в городах). Этот перечень безусловно должен быть дополнен радионуклидами и другими радиоактивными веществами, пагубные последствия которых для человеческой популяции и экосистем в полной мере проявились после атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки (Япония) и аварии на Чернобыльской АЭС. Следует упомянуть и диоксины весьма опасное загрязняющее вещество из класса хлоруглеводородов. Помимо химического и радиоактивного загрязнения к другим экологически опасным негативным воздействиям человека на биосферу относят электромагнитные излучения, вибрацию, шум, патогенные бактерии, вирусы и др. 23 мая 2001 г. в Стокгольме была принята Конвенция по стойким органическим загрязнениям (СОЗ), которая обязывает правительства ликвидировать 12 стойких канцерогенных и токсичных загрязнений, а именно: алдрин, гептахлор, ДДТ, диэлдрин, эндрин, хлордан, мирекс, токсафен, гексахлорбензол, полихлорированные бифенелы, диоксины и фураны. Конвенцию подписали около 100 стран мира. Под видами загрязнений понимают также любые нежелательные для экосистем антропогенные изменения (рис. 12.2, по Г. В. Стадницкому и А. И. Родионову, 1988): ингредиентное (минеральное и органическое) загрязнение как совокупность веществ, чуждых естественным биогеоценозам (например, бытовые стоки, ядохимикаты, продукты сгорания в ДВС и т. д.); параметрическое загрязнение, связанное с изменениями качественных параметров окружающей среды (тепловое, шумовое, радиационное, электромагнитное); биоценотическое загрязнение, вызывающее нарушение в составе и структуре популяций живых организмов (перепромысел, направленная интродукция и акклиматизация видов и т. д.); стациально-деструкционное загрязнение (стация место обитания популяции, деструкция разрушение), связанное с нарушением и преобразованием ландшафтов и экосистем в процессе природопользования (зарегулирование водотоков, урбанизация, вырубка лесных насаждений и пр.). 166 Рис. 12.2. Классификация загрязнения экологических систем Без всякого преувеличения можно отметить, что воздействия человека на биосферу в целом и на отдельные ее компоненты (атмосферу, гидросферу, литосферу и биотические сообщества) достигло к настоящему времени беспрецедентных размеров. Особенно возросли темпы роста ингредиентных и параметрических загрязнителей, причем не только в количественном, но и в качественном отношении. Негативные тенденции этих воздействий на человека и биоту носят не только выраженный локальный, но и глобальный характер, что свидетельствует о все возрастающем давлении на всю планету. Контрольные вопросы 1. Что понимается под антропогенным воздействием на биосферу? 2. Назовите основные виды вмешательства человека в экологические процессы. 3. Дайте определение загрязнения окружающей среды. Укажите его виды, объекты и масштабы. 4. Какие загрязняющие вещества представляют наибольшую опасность для человеческой популяции и природных биотических сообществ? 167 ГЛАВА 13. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АТМОСФЕРУ ВСТУПЛЕНИЕ Вопрос о воздействии человека на атмосферу находится в центре внимания специалистов и экологов всего мира. И это не случайно, так как крупнейшие глобальные экологические проблемы современности «парниковый эффект», нарушение озонового слоя, выпадение кислотных дождей, связаны именно с антропогенным загрязнением атмосферы. Охрана атмосферного воздуха ключевая проблема оздоровления окружающей природной среды. Атмосферный воздух занимает особое положение среди других компонентов биосферы. Значение его для всего живого на Земле невозможно переоценить. Человек может находиться без пищи пять недель, без воды пять дней, а без воздуха всего лишь пять минут. При этом воздух должен иметь определенную чистоту и любое отклонение от нормы опасно для здоровья. Атмосферный воздух выполняет и сложнейшую защитную экологическую функцию, предохраняя Землю от абсолютно холодного космоса и потока солнечных излучений. В атмосфере идут глобальные метеорологические процессы, формируются климат и погода, задерживается масса метеоритов. Атмосфера обладает способностью к самоочищению. Оно происходит при вымывании аэрозолей из атмосферы осадками, турбулентном перемещении приземного слоя воздуха, отложении загрязненных веществ и т. д. Однако в современных условиях возможности самоочищения природных систем атмосферы серьезно подорваны. Под массированным натиском антропогенных загрязнений в атмосфере стали проявляться весьма нежелательные экологические последствия, в том числе и глобального характера. По этой причине атмосферный воздух уже не в полной мере выполняет свои защитные, терморегулирующие и жизнеобеспечивающие экологические функции. 13.1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое изменение его состава и свойств, которое оказывает негативное воздействие на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем. Загрязнение атмосферы может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным). Естественное загрязнение воздуха вызвано природными процессами. К ним относятся вулканическая деятельность, выветривание горных пород, ветровая эрозия, массовое цветение растений, дым от лесных и степных пожаров и др. Антропогенное загрязнение связано с выбросом различных загрязняющих веществ в процессе деятельности человека. По своим масштабам оно значительно превосходит природное загрязнение атмосферного воздуха. В зависимости от масштабов выделяют различные типы загрязнения атмосферы. Местное (локальное) загрязнение характеризуется повышенным содержанием загрязняющих веществ на небольших территориях (город, промышленный район, сельскохозяйственная зона и др.) (рис. 13.1). 168 Рис. 13.1. Местное (локальное) загрязнение атмосферного воздуха При региональном загрязнении в сферу негативного воздействия вовлекаются значительные пространства, но не вся планета. Глобальное загрязнение связано с изменением состояния атмосферы в целом. По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются на: 1) газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и др.); 2) жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.); 3) твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и прочие). Главные загрязнтели (поллютанты) атмосферного воздуха, образующиеся в процессе производственной и иной деятельности человека диоксид серы (SO2), оксиды азота (NOX), оксид углерода (CO) и твердые частицы. На их долю приходится около 98% в общем объеме выбросов вредных веществ. Помимо главных загрязнителей в атмосфере городов и поселков наблюдается еще более 70 наименований других вредных веществ, среди которых отмечены формальдегид, фтористый водород, соединения свинца, аммиак, фенол, бензол, сероуглерод и другие. Однако именно концентрации главных загрязнителей (диоксид серы и др.) наиболее часто превышают допустимые уровни во многих городах России. Суммарный мировой выброс в атмосферу четырех главных загрязнителей (поллютантов) атмосферы составил в 1990 г. 401 млн т, а в России в 1991 г. 26,2 млн т (табл. 13.1). Таблица 13.1 Выброс в атмосферу главных загрязнителей (поллютантов) в мире и в России 169 Кроме указанных в таблице главных загрязнителей в атмосферу попадает много других очень опасных токсичных веществ: свинец, ртуть, кадмий и другие тяжелые металлы (источники выброса: автомобили, плавильные заводы и др.); углеводороды (CnHm), среди них наиболее опасен бенз(а)пирен, обладающий канцерогенным действием, альдегиды и в первую очередь формальдегид, сероводород, токсичные летучие растворители (бензины, спирты, эфиры) и др. Наиболее опасное загрязнение атмосферы радиоактивное. В настоящее время оно обусловлено в основном глобально распределенными долгоживущими радиоактивными изотопами продуктами испытаний ядерного оружия, проводившихся в атмосфере и под землей. Приземный слой атмосферы загрязняют также выбросы в атмосферу радиоактивных веществ с действующих АЭС в процессе их нормальной эксплуатации и другие источники. Особое место занимают выбросы радиоактивных веществ из четвертого блока Чернобыльской АЭС в апреле мае 1986 г. Если при взрыве атомной бомбы над Хиросимой (Япония) в атмосферу было выброшено 740 г радионуклидов, то в результате аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. суммарный выброс радиоактивных веществ в атмосферу составил 77 кг. Еще одной формой загрязнения атмосферы является локальное избыточное поступление тепла от антропогенных источников. Признаком теплового (термического) загрязнения атмосферы служат так называемые термические зоны, например, «остров тепла» в городах, потепление водоемов и т. п. В целом, если судить по официальным данным на 2001 г., уровень загрязнения атмосферного воздуха, особенно в городах России, остается высоким, несмотря на значительный спад производства, что связывают, прежде всего, с увеличением количества автомобилей, в том числе неисправных. Так, из общего суммарного выброса загрязняющих веществ в атмосферу в 2001 г. 41,8 млн т, на долю автотранспорта приходится 14 млн т (34%). 13.2. ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ В настоящее время основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха на территории России вносят следующие отрасли: теплоэнергетика (тепловые и атомные электростанции, промышленные и городские котельные и др.), далее предприятия черной металлургии, нефтедобычи и нефтехимии, автотранспорт, предприятия цветной металлургии, производство стройматериалов. Роль различных отраслей хозяйства в загрязнении атмосферы в развитых промышленных странах Запада иная. Так, например, основное количество выбросов вредных веществ в США, Великобритании и ФРГ приходится на автотранспорт (5060%), тогда как на долю теплоэнергетики значительно меньше, всего 1620%. Тепловые и атомные электростанции. Котельные установки. В процессе сжигания твердого или жидкого топлива в атмосферу выделяется дым, содержащий продукты полного (диоксид углерода и пары воды) и неполного (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды и др.) сгорания. Объем энергетических выбросов очень велик. Так, современная теплоэлектростанция мощностью 2,4 млн кВт расходует до 20 тыс. т угля в сутки и выбрасывает в атмосферу в сутки 680 т SO2 и SO3; 120140 т твердых частиц (зола, пыль, сажа); 200 т оксидов азота. Перевод установок на жидкое топливо (мазут) снижает выбросы золы, но практически не уменьшает выбросы оксидов серы и азота. Наиболее экологично газовое топливо, которое в 3 раза меньше загрязняет атмосферный воздух, чем мазут, и в пять раз меньше, чем уголь. Источники загрязнения воздуха токсичными веществами на атомных электростанциях (АЭС) 170 радиоактивный йод, радиоактивные инертные газы и аэрозоли. Крупный источник энергетического загрязнения атмосферы отопительная система жилищ (котельные установки), дает мало оксидов азота, но много продуктов неполного сгорания. Из-за небольшой высоты дымовых труб токсичные вещества в высоких концентрациях, как правило, рассеиваются вблизи котельных установок. Черная и цветная металлургия. При выплавке одной тонны стали в атмосферу выбрасывается 0,04 т твердых частиц, 0,03 т оксидов серы и до 0,05 т оксида углерода, а также в небольших количествах такие опасные загрязнители, как марганец, свинец, фосфор, мышьяк, пары ртути и др. В процессе сталеплавильного производства в атмосферу выбрасываются парогазовые смеси, состоящие из фенола, формальдегида, бензола, аммиака и других токсичных веществ. Существенно загрязняется атмосфера также на агломерационных фабриках, при доменном и ферросплавном производствах. Значительные выбросы отходящих газов и пыли, содержащих токсичные вещества, отмечаются на заводах цветной металлургии при переработке свинцово-цинковых, медных, сульфидных руд, при производстве алюминия и др. Химическое производство. Выбросы этой отрасли хотя и невелики по объему (около 2% всех промышленных выбросов), тем не менее, ввиду своей весьма высокой токсичности, значительного разнообразия и концентрированности представляют значительную угрозу для человека и всей биоты. На разнообразных химических производствах атмосферный воздух загрязняют оксиды серы, соединения фтора, аммиак, нитрозные газы (смесь оксидов азота), хлористые соединения, сероводород, неорганическая пыль и т. п. Выбросы автотранспорта. В мире насчитывается несколько сот миллионов автомобилей, которые сжигают огромное количество нефтепродуктов, существенно загрязняя атмосферный воздух, особенно в крупных городах. Так, в Москве на долю автотранспорта приходится 80% от общего количества выбросов в атмосферу. Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (особенно карбюраторных) содержат огромное количество токсичных соединений бенз(а)пирена, альдегидов, оксидов азота и углерода и особо опасных соединений свинца (в случае применения этилированного бензина). Наибольшее количество вредных веществ в составе отработавших газов образуется при неотрегулированной топливной системе автомобиля. Правильная ее регулировка позволяет снизить их количество в 1,5 раза, а специальные нейтрализаторы снижают токсичность выхлопных газов в шесть и более раз. Интенсивное загрязнение атмосферного воздуха отмечается также при добыче и переработке минерального сырья, на нефте- и газоперерабатывающих заводах (рис. 13.2), при выбросе пыли и газов из подземных горных выработок, при сжигании мусора и горении пород в отвалах (терриконах) и т. д. В сельских районах очагами загрязнения воздуха являются животноводческие и птицеводческие фермы, промышленные комплексы по производству мяса, распыление пестицидов и т. д. 171 Рис. 13.2. Пути распространения выбросов соединений серы в районе Астраханского газоперерабатывающего завода (АГПЗ) (Ю. А. Федоров, 1995) «Каждый житель Земли это и потенциальная жертва стратегических (трансграничных) загрязнений», подчеркивает Э. Гор в книге «Земля на чаше весов», 1993. Под трансграничными загрязнениями понимают загрязнения, перенесенные с территории одной страны на площадь другой. Только в 1994 г. на Европейскую часть России из-за невыгодного ее географического положения выпало 1204 тыс. т соединений серы от Украины, Германии, Польши и других стран. В то же время в других странах от российских источников выпало только 190 тыс. т серы, т. е. в 6,3 раза меньше. 13.3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ Загрязнение атмосферного воздуха воздействует на здоровье человека и на окружающую природную среду различными способами от прямой и немедленной угрозы (смог и др.) до медленного и постепенного разрушения различных систем жизнеобеспечения организма. Во многих случаях загрязнение воздушной среды нарушает структурные компоненты экосистемы до такой степени, что регуляторные процессы не в состоянии вернуть их в первоначальное состояние и в результате механизм гомеостаза не срабатывает. Сначала рассмотрим, как влияет местное (локальное) загрязнение атмосферы на экологию живых существ и состояние растений, а затем глобальное загрязнение. Физиологическое воздействие на человеческий организм главных загрязнителей (поллютантов) чревато самыми серьезными последствиями. Так, диоксид серы, соединяясь с влагой, образует серную кислоту, которая разрушает легочную ткань человека и животных. Особенно четко эта связь прослеживается при анализе детской легочной патологии и степени концентрации диоксида серы в атмосфере крупных городов. Согласно исследованиям американских ученых при уровне загрязнения SO2 до 0,049 мг/м3 показатель заболеваемости (в человеко-днях) населения Нэшвилла (США) составлял 8,1%, при 0,150 0,349 мг/м3 12% и в районах с загрязнением воздуха выше 0,350 мг/м3 43,8%. Особенно опасен диоксид серы, когда он осаждается на пылинках и в этом виде проникает глубоко в дыхательные пути. Пыль, содержащая диоксид кремния (SiO2), вызывает тяжелое заболевание легких силикоз. 172 Оксиды азота раздражают, а в тяжелых случаях и разъедают слизистые оболочки, например, глаз, легких, участвуют в образовании ядовитых туманов и т. д. Особенно опасны они, если содержатся в загрязненном воздухе совместно с диоксидом серы и другими токсичными соединениями. В этих случаях даже при малых концентрациях загрязняющих веществ возникает эффект синергизма, т. е. усиление токсичности всей газообразной смеси. Широко известно действие на человеческий организм оксида углерода (угарного газа). При остром отравлении появляется общая слабость, головокружение, тошнота, сонливость, потеря сознания, возможен летальный исход (даже спустя три семь дней). Однако, из-за низкой концентрации CO2 в атмосферном воздухе он, как правило, не вызывает массовых отравлений, хотя и очень опасен для лиц, страдающих анемией и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Среди взвешенных твердых частиц наиболее опасны частицы размером менее 5 мкм, которые способны проникать в лимфатические узлы, задерживаться в альвеолах легких, засорять слизистые оболочки. Весьма неблагоприятные последствия, которые могут сказываться на огромном интервале времени, связаны и с такими незначительными по объему выбросами, как свинец, бенз(а)пирен, фосфор, кадмий, мышьяк, кобальт и др. Они угнетают кроветворную систему, вызывают онкологические заболевания, снижают сопротивление организма инфекциям и т. д. Пыли, содержащие соединения свинца и ртути, обладают мутагенными свойствами и вызывают генетические изменения в клетках организма. Последствия воздействия на организм человека вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах автомобилей, весьма серьезны и имеют широчайший диапазон действия: от кашля до летального исхода (табл. 13.2). Таблица 13.2 Влияние выхлопных газов автомобиля на здоровье человека (по Х. Ф. Френчу, 1992) Тяжелые последствия в организме живых существ вызывает и ядовитая смесь дыма, тумана и пыли смог. Различают два типа смога: зимний смог (лондонский тип) и летний (лос-анджелесский тип). Лондонский тип смога возникает зимой в крупных промышленных городах при 173 неблагоприятных погодных условиях (отсутствие ветра и температурная инверсия). Температурная инверсия проявляется в повышении температуры воздуха с высотой в некотором слое атмосферы (обычно в интервале 300400 м от поверхности Земли) вместо обычного понижения. В результате циркуляция атмосферного воздуха резко нарушается, дым и загрязняющие вещества не могут подняться вверх и не рассеиваются. Нередко возникают туманы. Концентрации оксидов серы, взвешенной пыли, оксида углерода достигают опасных для здоровья человека уровней, приводят к расстройству кровообращения, дыхания, а нередко и к смерти. В 1952 г. в Лондоне от смога с 3 по 9 декабря погибло более четырех тысяч человек, до десяти тысяч человек тяжело заболели. В конце 1962 г. в Руре (ФРГ) смог убил за три дня 156 человек. Рассеять смог может только ветер, а сгладить смогоопасную ситуацию сокращение выбросов загрязняющих веществ. Лос-анджелесский тип смога, или фотохимический смог, не менее опасен, чем лондонский. Возникает он летом при интенсивном воздействии солнечной радиации на воздух, насыщенный, а вернее, перенасыщенный выхлопными газами автомобилей. В Лос-Анджелесе выхлопные газы более четырех миллионов автомобилей выбрасывают только оксидов азота в количестве более тысячи тонн в сутки. При очень слабом движении воздуха или безветрии в воздухе в этот период идут сложные реакции с образованием новых высокотоксичных загрязнителей фотооксидантов (озон, органические перекиси, нитриты и др.), которые раздражают слизистые оболочки желудочнокишечного тракта, легких и органов зрения. Только в одном городе (Токио) смог вызвал отравление десяти тысяч человек в 1970 г. и 28 тыс. в 1971 г. По официальным данным, в Афинах в дни смога смертность в шесть раз выше, чем в дни относительно чистой атмосферы. В некоторых наших городах (Кемерово, Ангарск, Новокузнецк, Медногорск и др.), особенно в тех, которые расположены в низинах, в связи с ростом числа автомобилей и увеличением выброса выхлопных газов, содержащих оксид азота, вероятность образования фотохимического смога увеличивается. Антропогенные выбросы загрязняющих веществ в больших концентрациях и в течение длительного времени наносят большой вред не только человеку, но отрицательно влияют на животных, состояние растений и экосистем в целом. В экологической литературе описаны случаи массового отравления диких животных, птиц, насекомых при выбросах вредных загрязняющих веществ большой концентрации (особенно залповых). Так, например, установлено, что при оседании на медоносных растениях некоторых токсичных видов пыли наблюдается заметное повышение смертности пчел. Что касается животных, то находящаяся в атмосфере ядовитая пыль поражает их в основном через органы дыхания, а также поступая в организм вместе со съеденными запыленными растениями. В растения токсичные вещества поступают различными способами. Установлено, что выбросы вредных веществ действуют как непосредственно на зеленые части растений, попадая через устьица в ткани, разрушая хлорофилл и структуру клеток, так и через почву на корневую систему. Так, например, загрязнение почвы пылью токсичных металлов, особенно в соединении с серной кислотой, губительно действует на корневую систему, а через нее и на все растение. Загрязняющие газообразные вещества по-разному влияют на состояние растительности. Одни лишь слабо повреждают листья, хвоинки, побеги (окись углерода, этилен и др.), другие действуют на растения губительно (диоксид серы, хлор, пары ртути, аммиак, цианистый водород и др.) (табл. 13.3). Таблица 13.3 Токсичность загрязнения воздуха для растений (Бондаренко, 1985) 174 Особенно опасен для растений диоксид серы (SO2), под воздействием которого гибнут многие деревья, и в первую очередь, хвойные сосны, ели, пихты, кедр. В результате воздействия высокотоксичных загрязнителей на растения отмечается замедление их роста, образование некроза на концах листьев и хвоинок, выход из строя органов ассимиляции и т. д. Увеличение поверхности поврежденных листьев может привести к снижению расхода влаги из почвы, общей ее переувлажненности, что неизбежно скажется на среде ее обитания. Способна ли растительность восстановиться после снижения воздействия вредных загрязняющих веществ? Во многом это будет зависеть от видового состава оставшейся зеленой массы и общего состояния природных экосистем. В то же время следует заметить, что невысокие концентрации отдельных загрязнителей не только вредят растениям, но и, как например кадмиевая соль, стимулируют прорастание семян, прирост древесины, рост некоторых органов растений. 13.4. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ГЛОБАЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ К важнейшим экологическим последствиям глобального загрязнения атмосферы относятся: 1) возможное потепление климата («парниковый эффект»); 2) нарушение озонового слоя; 3) выпадение кислотных дождей. Большинство ученых в мире рассматривают их как крупнейшие экологические проблемы современности. Возможное потепление климата («парниковый эффект») Наблюдаемое в настоящее время изменение климата, которое выражается в постепенном повышении среднегодовой температуры, начиная со второй половины прошлого века, большинство ученых связывают с накоплениями в атмосфере так называемых «парниковых газов» диоксида углерода (СO2), метана (CH4), хлорфторуглеродов (фреонов), озона (O3), оксида азота и др. Парниковые газы, и в первую очередь CO2, препятствуют длинноволновому тепловому излучению с поверхности Земли. По Г. Хефлингу (1990), атмосфера, насыщенная парниковыми газами, действует как крыша теплицы. Она, с одной стороны, пропускает внутрь большую часть солнечного излучения, с другой почти не пропускает наружу тепло, переизлучаемое Землей. В связи с сжиганием человеком все большего количества ископаемого топлива: нефти, газа, угля и др. (ежегодно более 9 млрд т условного топлива) концентрация CO2 в атмосфере постоянно увеличивается. За счет выбросов в атмосферу при промышленном производстве и в быту растет 175 содержание фреонов (хлорфторуглеродов). На 11,5% в год увеличивается содержание метана (выбросы из подземных горных выработок, сжигание биомассы, выделения крупным рогатым скотом и др.). В меньшей степени растет содержание в атмосфере и оксида азота (на 0,3% ежегодно). Следствием увеличения концентраций этих газов, создающих «парниковый эффект», является рост средней глобальной температуры воздуха у земной поверхности. За последние 100 лет наиболее теплыми были 1980, 1981, 1983, 1987 и 1988 гг. В 1988 г. среднегодовая температура оказалась на 0,4 С выше, чем в 19501980 гг. Расчеты некоторых ученых показывают, что в 2005 г. она будет на 1,3 С, а в 2050 г. на 24 С больше, чем в 19501980 гг. Масштабы потепления за этот относительно короткий срок будут сопоставимы с потеплением, произошедшим на Земле после ледникового периода, а значит, экологические последствия могут быть катастрофическими. В первую очередь это связано с предполагаемым повышением уровня Мирового океана, вследствие таяния полярных льдов, сокращения площадей горного оледенения и т. д. Моделируя экологические последствия повышения уровня океана всего лишь на 0,52,0 м к концу ХХI в., ученые установили, что это неизбежно приведет к нарушению климатического равновесия, затоплению приморских равнин в более чем 30 странах, деградации многолетнемерзлых пород, заболачиванию обширных территорий и к другим неблагоприятным последствиям. Однако ряд ученых видят в предполагаемом глобальном потеплении климата и положительные экологические последствия (Вронский, 1993; Парниковый эффект…, 1989). Повышение концентрации CO2 в атмосфере и связанное с ним увеличение фотосинтеза, а также возрастание увлажнения климата могут, по их мнению, привести к увеличению продуктивности как естественных фитоценозов (лесов, лугов, саванн и др.), так и агроценозов (культурных растений, садов, виноградников и др.). По вопросу о степени влияния парниковых газов на глобальное потепление климата так же нет единства во мнениях. Так, в отчете Межправительственной группы экспертов по проблеме изменения климата (1992) отмечается, что наблюдающееся в последнее столетие потепление климата на 0,30,6 С могло быть обусловлено преимущественно природной изменчивостью ряда климатических факторов. В связи с этими данными, акад. К. Я. Кондратьев (1993) считает, что нет никаких оснований для одностороннего увлечения стереотипом «парникового» потепления и выдвижения задачи по сокращению выбросов парниковых газов как центральной в проблеме предотвращения нежелательных изменений глобального климата. По его мнению, важнейшим фактором антропогенного воздействия на глобальный климат является деградация биосферы, а следовательно, в первую очередь необходимо заботиться о сохранении биосферы как основного фактора глобальной экологической безопасности. Человек, используя мощность порядка 10 ТВт, разрушил или сильно нарушил на 60% суши нормальное функционирование естественных сообществ организмов (Данилов-Данильян, Горшков и др., 1995). В результате из биогенного круговорота веществ изъята значительная их масса, которая ранее затрачивалась биотой на стабилизацию климатических условий. На фоне постоянного сокращения площадей с ненарушенными сообществами, деградированная, резко снизившая свою ассимилирующую емкость биосфера становится важнейшим источником повышенного выброса в атмосферу диоксида углерода и других парниковых газов. На Международной конференции в Торонто (Канада) в 1985 г. перед энергетикой всего мира была поставлена задача сократить к 2005 г. на 20% промышленные выбросы углерода в атмосферу. На Конференции ООН в Киото (Япония) в 1997 г. правительствами большинства стран мира был подписан Киотский протокол международное соглашение о контроле за выбросами парниковых газов в 20082012 гг. Цель протокола в течение 5 лет создать новый экономический механизм снижения выбросов торговлю квотами. Предусмотрено, что страны, подписавшие протокол, могут перераспределять (например, перепродавать) между собой разрешенные им объемы выбросов. К началу 2005 г. Киотский протокол ратифицировали 124 государства, в том числе и Российская Федерация, после чего он вступил в силу. Но очевидно, что ощутимый экологический эффект может 176 быть получен лишь при сочетании этих мер с глобальным направлением экологической политики максимально возможным сохранением сообществ организмов, природных экосистем и всей биосферы Земли. Нарушение озонового слоя Озоновый слой (озоносфера) охватывает весь земной шар и располагается на высотах от 10 до 50 км с максимальной концентрацией озона на высоте 2025 км. Насыщенность атмосферы озоном постоянно меняется в любой части планеты, достигая максимума весной в приполярной области. Впервые истощение озонового слоя привлекло внимание широкой общественности в 1985 г., когда над Антарктидой было обнаружено пространство с пониженным (до 50%) содержанием озона, получившее название «озоновой дыры». С тех пор результаты измерений подтверждают повсеместное уменьшение озонового слоя практически на всей планете. Так, например, в России за последние 10 лет концентрация озонового слоя снизилась на 46% в зимнее время и на 3% в летнее. В настоящее время истощение озонового слоя признано всеми как серьезная угроза глобальной экологической безопасности. Снижение концентрации озона ослабляет способность атмосферы защищать все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения (УФ-радиация). Живые организмы весьма уязвимы для ультрафиолетового излучения, ибо энергии даже одного фотона из этих лучей достаточно, чтобы разрушить химические связи в большинстве органических молекул (Воронов, 1993). Не случайно поэтому в районах с пониженным содержанием озона многочисленны солнечные ожоги, наблюдается увеличение заболевания людей раком кожи и др. Так например, по мнению ряда ученых-экологов, к 2030 г. в России при сохранении нынешних темпов истощения озонового слоя заболеют раком кожи дополнительно шесть миллионов человек. Кроме кожных заболеваний возможно развитие глазных болезней (катаракта и др.), подавление иммунной системы и т. д. Установлено также, что растения под влиянием сильного ультрафиолетового излучения постепенно теряют свою способность к фотосинтезу, а нарушения жизнедеятельности планктона приводят к разрыву трофических цепей биоты водных экосистем и т. д. Наука еще до конца не установила, каковы же основные процессы, нарушающие озоновый слой. Предполагается как естественное, так и антропогенное происхождение «озоновых дыр». Последнее, по мнению большинства ученых, более вероятно и связано с повышенным содержанием хлорфторуглеродов (фреонов). Фреоны широко применяются в промышленном производстве и в быту (хладоагрегаты, растворители, распылители, аэрозольные упаковки и др.). Поднимаясь в атмосферу, фреоны разлагаются с выделением оксида хлора, губительно действующего на молекулы озона. По данным международной экологической организации «Гринпис», основными поставщиками хлорфторуглеродов (фреонов) являются США 30,85%, Япония 12,42%, Великобритания 8,62% и Россия 8,0%. США пробили в озоновом слое «дыру» площадью 7 млн км2, Япония 3 млн км2, что в семь раз больше, чем площадь самой Японии. В последнее время в США и ряде западных стран построены заводы по производству новых видов хладореагентов (гидрохлорфторуглеродов) с низким потенциалом разрушения озонового слоя. Согласно протоколу Монреальской конференции (1987 г.), пересмотренному затем в Лондоне (1991 г.) и Копенгагене (1992 г.), предусматривалось значительное снижение выбросов хлорфторуглерода. В соответсвии с Законом РФ «Об охране окружающей среды» (2002) охрана озонового слоя атмосферы от экологически опасных изменений обеспечивается посредством регулирования производства и использования веществ, разрушающих озоновый слой атмосферы, на основе международных договоров Российской Федерации и ее законодательства. В будущем необходимо продолжать решать проблему защиты людей от УФ-радиации, поскольку многие из хлорфторуглеродов могут сохраняться в атмосфере сотни лет. Ряд ученых продолжают настаивать на естественном происхождении «озоновой дыры». Причины ее возникновения они видят в естественной изменчивости озоносферы, циклической 177 активности Солнца, другие связывают эти процессы с рифтогенезом и дегазацией Земли, т. е. с прорывом глубинных газов (водород, метан, азот и др.) через рифтовые разломы земной коры. Кислотные дожди Одна из важнейших экологических проблем, с которой связывают окисление природной среды, кислотные дожди. Образуются они при промышленных выбросах в атмосферу диоксида серы и оксидов азота, которые, соединяясь с атмосферной влагой, образуют серную и азотную кислоты (рис. 13.3). В результате дождь и снег оказываются подкисленными (число рН ниже 5,6). В Баварии (ФРГ) в августе 1981 г. выпадали дожди с кислотностью рН 3,5. Максимальная зарегистрированная кислотность осадков в Западной Европе рН 2,3. Рис. 13.3. Кислотные осадки: их образование и вредное воздействие на экосистемы (по Б. Небелу) Суммарные мировые антропогенные выбросы двух главных загрязнителей воздуха виновников подкисления атмосферной влаги SO2 и NОx составляют ежегодно более 255 млн т (1994 г.). На огромной территории природная среда закисляется, что весьма негативно отражается на состоянии всех экосистем. Выяснилось, что природные экосистемы подвергаются разрушению даже при меньшем уровне загрязнения воздуха, чем тот, который опасен для человека. «Озера и реки, лишенные рыбы, гибнущие леса вот печальные последствия индустриализации планеты» (Х. Френч, 1992). Опасность представляют, как правило, не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы. Под действием кислотных осадков из почвы выщелачиваются не только жизненно необходимые растениям питательные вещества, но и токсичные тяжелые и легкие металлы свинец, кадмий, алюминий и др. Впоследствии они сами или образующиеся токсичные соединения усваиваются растениями и другими почвенными организмами, что ведет к весьма негативным последствиям. Например, возрастание в подкисленной воде содержания алюминия всего лишь до 0,2 мг на один литр летально для рыб. Резко сокращается развитие фитопланктона, так как фосфаты, активизирующие этот процесс, соединяются с алюминием и становятся менее доступными для освоения. Алюминий снижает также прирост древесины. Токсичность тяжелых металлов (кадмия, свинца и др.) проявляется еще в большей степени. Пятьдесят миллионов гектаров леса в 25 европейских странах страдают от действия сложной смеси загрязняющих веществ, включающей кислотные дожди, озон, токсичные металлы и др. Гибнут хвойные горные леса на северных Аппалачах и в Баварии. Отмечены случаи поражения хвойных и 178 лиственных лесов в Карелии, Сибири и в других районах нашей страны. Воздействие кислотных дождей снижает устойчивость лесов к засухам, болезням, природным загрязнениям, что приводит к еще более выраженной их деградации как природных экосистем. Ярким примером негативного воздействия кислотных осадков на природные экосистемы является закисление озер. Особенно интенсивно оно происходит в Канаде, Швеции, Норвегии и на юге Финляндии (табл. 13.4). Объясняется это тем, что значительная часть выбросов серы в таких промышленно развитых странах, как США, ФРГ и Великобритания, выпадают именно на их территории (рис. 13.4). Озера в этих странах наиболее уязвимы и потому, что коренные породы, слагающие их ложе, обычно представлены гранитогнейсами и гранитами, которые не способны нейтрализовать кислотные осадки, в отличие, например, от известняков, которые создают щелочную среду и препятствуют закислению. Сильно закислены и многие озера на севере США. Таблица 13.4 Закисление озер в мире (по данным «XX век последние 10 лет», 1992) Рис. 13.4. Загрязнение (окисление) почвы в странах Северной Европы вследствие выпадения кислотных дождей, переносящих из промышленных районов Англии, ФРГ и Польши большое количество оксидов серы (SO2). Цифрами показана кислотность поверхностных вод 179 Закисление озер опасно не только для популяций различных видов рыб (в том числе лососевых, сиговых и др.), но часто влечет за собой постепенную гибель планктона, многочисленных видов водорослей и других его обитателей. Озера становятся практически безжизненными. В нашей стране площадь значительного закисления от выпадения кислотных осадков достигает несколько десятков миллионов гектаров. Отмечены и частые случаи закисления озер (Карелия и др.). Повышенная кислотность осадков наблюдается вдоль западной границы (трансграничный перенос серы и других загрязняющих веществ) и фрагментарно на побережье Таймыра и Якутии. В районе г. Норильска и на Северном Урале огромные площади тайги и лесотундры стали почти безжизненными из-за выбросов диоксида серы Норильским горно-химическим комбинатом. Контрольные вопросы 1. Почему охрана природного воздуха является ключевой проблемой оздоровления окружающей среды? 2. Назовите главные загрязнители (поллютанты) атмосферного воздуха. 3. Оцените роль различных отраслей хозяйства в загрязнении атмосферы. 4. Приведите примеры пагубного влияния высокотоксичных загрязнителей (поллютантов) на живые организмы. 5. Как называется ядовитая смесь дыма, тумана и пыли? К каким экологическим последствиям она приводит? 6. Какой загрязнитель атмосферного воздуха наиболее опасен для хвойных деревьев? Раскройте механизм проникновения токсичного вещества в растения. 7. Каковы важнейшие экологические последствия глобального загрязнения атмосферы? 8. Чем вызваны кислотные дожди? Каково их влияние на природные экосистемы? 9. Почему истощение озонового слоя Земли относится к числу важнейших экологических проблем? 10. Что понимают под закислением озер? 180 ГЛАВА 14. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГИДРОСФЕРУ ВСТУПЛЕНИЕ Существование биосферы и человека всегда было основано на использовании воды. Человечество постоянно стремилось к увеличению водопотребления, оказывая на гидросферу огромное многостороннее воздействие. На нынешнем этапе развития техносферы, когда в мире еще в большей степени возрастает воздействие человека на гидросферу, а природные системы в значительной степени утратили свои защитные свойства, очевидно необходимы новые подходы, экологизация мышления, «осознание реальностей и тенденций, появившихся в мире в отношении природы в целом и ее составляющих» (Лосев, 1989). В полной мере это относится к осознанию такого страшного зла, каким является в наше время загрязнение и истощение вод. 14.1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГИДРОСФЕРЫ Под загрязнением водоемов понимают снижение их биосферных функций и экологического значения в результате поступления в них вредных веществ. Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органолептических свойств (нарушение прозрачности, окраски, запахов, вкуса), увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, сокращении растворенного в воде кислорода воздуха, появлении радиоактивных элементов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей. Россия обладает одним из самых высоких водных потенциалов в мире на каждого жителя России приходится свыше 30 тыс. м3/год воды. Однако в настоящее время из-за загрязнения или засорения около 70% рек и озер России утратили свои качества как источники питьевого водоснабжения, в результате около половины населения потребляют загрязненную недоброкачественную воду (Государственный доклад «Вода питьевая», 1995). Только в 1998 г. в поверхностные водные объекты России предприятиями промышленного, коммунального и сельского хозяйства сброшено 60 км3 сточных вод, 40% из которых относились к категории загрязненных. Лишь десятая часть из них проходила нормативную очистку. Нарушено исторически сложившееся равновесие в водной среде Байкала уникальнейшем озере нашей планеты, которое, по подсчетам ученых, могло бы обеспечить чистой водой все человечество в течение почти полустолетия. Только за последние 15 лет загрязнено более 100 км3 байкальской воды. На акваторию озера ежегодно поступало более 8500 т нефтепродуктов, 750 т нитратов, 13 тыс. т хлоридов и других загрязнителей. Ученые полагают, что только размеры озера и огромный объем водной массы, а также способность биоты участвовать в процессах самоочищения спасают экосистему Байкала от полной деградации. Главные загрязнители вод. Установлено, что более 400 видов веществ могут вызвать загрязнение вод. В случае превышения допустимой нормы хотя бы по одному из трех показателей вредности: санитарно-токсикологическому, общесанитарному или органолептическому, вода считается загрязненной. Различают химические, биологические и физические загрязнители. Среди химических загрязнителей к наиболее распространенным относят нефть и нефтепродукты, СПАВ (синтетические поверхностно-активные вещества), пестициды, тяжелые металлы, диоксины и др. (табл. 14.1). Очень опасно загрязняют воду биологические загрязнители, например, вирусы и другие болезнетворные микроорганизмы, и физические радиоактивные вещества, тепло и др. Таблица 14.1 Главные загрязнители воды 181 Основные виды загрязнения. Наиболее часто встречается химическое и бактериальное загрязнение вод. Значительно реже наблюдается радиоактивное, механическое и тепловое загрязнение. Химическое загрязнение наиболее распространенное, стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы, нафтеновые кислоты, пестициды и др.) и неорганическим (соли, кислоты, щелочи), токсичным (мышьяк, соединения ртути, свинца, кадмия и др.) и нетоксичным. При осаждении на дно водоемов или при фильтрации в пласте вредные химические вещества сорбируются частицами пород, окисляются и восстанавливаются, выпадают в осадок и т. д., однако, как правило, полного самоочищения загрязненных вод не происходит. Очаг химического загрязнения подземных вод в сильно проницаемых грунтах может распространяться до 10 км и более. Бактериальное загрязнение выражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших, грибов и др. Этот вид загрязнений носит временный характер. Весьма опасно содержание в воде, даже при очень малых концентрациях, радиоактивных веществ, вызывающих радиоактивное загрязнение. Наиболее вредны «долгоживущие» радиоактивные элементы, обладающие повышенной способностью к передвижению в воде (стронций-90, уран, радий-226, цезий и др.). Радиоактивные элементы попадают в поверхностные водоемы при сбрасывании в них радиоактивных отходов, захоронении отходов на дне и др. В подземные воды уран, стронций и другие элементы попадают как в результате выпадения их на поверхность земли в виде радиоактивных продуктов и отходов и последующего просачивания в глубь земли вместе с атмосферными водами, так и в результате взаимодействия подземных вод с радиоактивными горными породами. Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, шлам, ил и др.). Механические примеси могут значительно ухудшать органолептические показатели вод. Применительно к поверхностным водам выделяют еще их загрязнение (а точнее, засорение) твердыми отходами (мусором), остатками лесосплава, промышленными и бытовыми отходами, которые ухудшают качество вод, отрицательно влияют на условия обитания рыб, состояние экосистем. Тепловое загрязнение связано с повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхностными или технологическими водами. При повышении температуры 182 происходит изменение газового и химического состава в водах, что ведет к размножению анаэробных бактерий, росту гидробионтов и выделению ядовитых газов сероводорода, метана. Одновременно происходит «цветение» воды, а также ускоренное развитие микрофлоры и микрофауны, что способствует развитию других видов загрязнения. По существующим санитарным нормам температура водоема не должна повышаться более чем на 3 С летом и 5 С зимой, а тепловая нагрузка на водоем не должна превышать 1217 кДж/м3. Основные источники загрязнения поверхностных и подземных вод. Процессы загрязнения поверхностных вод обусловлены различными факторами. К основным из них относятся: 1) сброс в водоемы неочищенных сточных вод; 2) смыв ядохимикатов ливневыми осадками; 3) газодымовые выбросы; 4) утечки нефти и нефтепродуктов. Наибольший вред водоемам и водотокам причиняет выпуск в них неочищенных сточных вод промышленных, коммунально-бытовых, коллекторно-дренажных и др. (рис. 14.1). Рис. 14.1. Сброс неочищенных сточных вод в реку Промышленные сточные воды загрязняют экосистемы самыми разнообразными компонентами (табл. 14.2, Государственный доклад …, 1995) в зависимости от специфики отраслей промышленности. Таблица 14.2 Приоритетные загрязнители водных экосистем по отраслям промышленности 183 Следует заметить, что в настоящее время объем сброса промышленных сточных вод во многие водные экосистемы не только не уменьшается, но и продолжает расти. Так, например, в оз. Байкал, вместо планируемого прекращения сброса сточных вод из ЦБК (целлюлозно-бумажного комбината) и перевода их на замкнутый цикл водопотребления, сбрасывается огромное количество сточных вод. Коммунально-бытовые сточные воды в больших количествах поступают из жилых и общественных зданий, прачечных, столовых, больниц и т. д. В сточных водах этого типа преобладают различные органические вещества, а также микроорганизмы, что может вызвать бактериальное загрязнение. Такие опасные загрязняющие вещества, как пестициды, аммонийный и нитратный азот, фосфор, калий и др., смываются с сельскохозяйственных территорий, включая площади, занимаемые животноводческими комплексами (рис. 14.2). По большей части они попадают в водоемы и в водотоки без какой-либо очистки, а поэтому имеют высокую концентрацию органического вещества, биогенных элементов и других загрязнителей. Рис. 14.2. Ферма вблизи малой реки. Не исключено попадание неочищенных канализационных стоков в реку, отчего погибнет все живое (фото Н. А. Якименко) Значительную опасность представляют газодымовые соединения (аэрозоли, пыль и т. д.), оседающие из атмосферы на поверхность водосборных бассейнов и непосредственно на водные поверхности. Плотность выпадения, например, аммонийного азота на Европейской территории России оценивается в среднем 0,3 т/км2, а серы от 0,25 до 2,0 т/км2. 184 Огромны масштабы нефтяного загрязнения природных вод. Миллионы тонн нефти ежегодно загрязняют морские и пресноводные экосистемы при авариях нефтеналивных судов, на нефтепромыслах в прибрежных зонах, при сбросе с судов балластных вод и т. д. Кроме поверхностных вод постоянно загрязняются и подземные воды, в первую очередь в районах крупных промышленных центров. Источники загрязнения подземных вод весьма разнообразны (рис. 14.3). Рис. 14.3. Схема источников загрязнения подземных вод (по В. А. Шемелиной, 1989): I грунтовые воды, II напорные пресные воды, III напорные соленые воды: 1 трубопроводы, 2 хвостохранилища, 3 дымовые и газовые выбросы, 4 подземные захоронения промстоков, 5 шахтные воды, 6 терриконы, 7 карьерные воды, 8 заправочные станции, 9 бытовое загрязнение, 10 водозабор, подтягивающий соленые воды, 11 объекты животноводства, 12 внесение пестицидов и удобрений Загрязняющие вещества могут проникать к подземным водам различными путями: при просачивании промышленных и хозяйственно-бытовых стоков из хранилищ, прудов-накопителей, отстойников и др., по затрубному пространству неисправных скважин, через поглощающие скважины, карстовые воронки и т. д. К естественным источникам загрязнения относят сильно минерализованные (соленые и рассолы) подземные воды или морские воды, которые могут внедряться в пресные незагрязненные воды при эксплуатации водозаборных сооружений и откачке воды из скважин. Важно подчеркнуть, что загрязнения подземных вод не ограничиваются площадью промпредприятий, хранилищ отходов и т. д., а распространяются вниз по течению потока на расстояния до 2030 км и более от источника загрязнения. Это создает реальную угрозу для питьевого водоснабжения в этих районах. Следует также иметь в виду, что загрязнение подземных вод негативно сказывается и на экологическом состоянии поверхностных вод, атмосферы, почв, других компонентов природной среды. Например, загрязняющие вещества, находящиеся в подземных водах, могут выноситься фильтрационным потоком в поверхностные водоемы и загрязнять их. Как подчеркивает В. М. Гольдберг (1988), круговорот загрязняющих веществ в системе поверхностных и подземных вод предопределяет единство природоохранных и водоохранных мер и их нельзя разрывать. В противном случае меры по охране подземных вод вне связи с мерами по защите других компонентов природной среды будут неэффективными. 14.2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГИДРОСФЕРЫ Загрязнение водных экосистем представляет огромную опасность для всех живых организмов и, 185 в частности, для человека. Пресноводные экосистемы. Установлено, что под влиянием загрязняющих веществ в пресноводных экосистемах отмечается падение их устойчивости, вследствие нарушения пищевой пирамиды и ломки сигнальных связей в биоценозе, микробиологического загрязнения, эвтрофирования и других крайне неблагоприятных процессов. Они снижают темпы роста гидробионтов, их плодовитость, а в ряде случаев приводят к их гибели. Наиболее изучен процесс эвтрофирования водоемов. Этот естественный процесс, характерный для всего геологического прошлого планеты, обычно протекает очень медленно и постепенно, однако в последние десятилетия, в связи с возросшим антропогенным воздействием, скорость его развития резко увеличилась. Ускоренная, или так называемая антропогенная, эвтрофикация связана с поступлением в водоемы значительного количества биогенных веществ азота, фосфора и других элементов в виде удобрений, моющих веществ, отходов животноводства, атмосферных аэрозолей и т. д. В современных условиях эвтрофикация водоемов протекает в значительно менее продолжительные сроки несколько десятилетий и менее. Антропогенное эвтрофирование весьма отрицательно влияет на пресноводные экосистемы, приводя к перестройке структуры трофических связей гидробионтов и резкому возрастанию биомассы фитопланктона. Благодаря массовому размножению синезеленых водорослей, вызывающих «цветение» воды, ухудшается ее качество и условия жизни гидробионтов (к тому же выделяющих опасные для человека токсины). Возрастание массы фитопланктона сопровождается уменьшением разнообразия видов, что приводит к невосполнимой утрате генофонда, уменьшению способности экосистем к гомеостазу и саморегуляции (Яблоков, 1983). Процессы антропогенной эвтрофикации охватывают многие крупные озера мира Великие Американские озера, Балатон, Ладожское, Женевское и др., а также водохранилища и речные экосистемы, в первую очередь, малые реки. На этих реках кроме катастрофически растущей биомассы синезеленых водорослей с берегов происходит зарастание их высшей растительностью. Сами же синезеленые водоросли в результате своей жизнедеятельности производят сильнейшие токсины, представляющие опасность для гидробионтов и человека. Помимо избытка биогенных веществ на пресноводные экосистемы губительное воздействие оказывают и другие загрязняющие вещества: тяжелые металлы (свинец, кадмий, никель и др.), фенолы, СПАВ и др. Так, например, водные организмы Байкала, приспособившиеся в процессе длительной эволюции к естественному набору химических соединений притоков озера, оказались неспособными к переработке чуждых природным водам химических соединений (нефтепродуктов, тяжелых металлов, солей и др.). В результате отмечено обеднение гидробионтов, уменьшение биомассы зоопланктона, гибель значительной части численности популяции байкальской нерпы и др. (Галазий, 1990). Морские экосистемы. Скорости поступления загрязняющих веществ в Мировой океан в последнее время резко возросли. Ежегодно в океан сбрасывается до 300 млрд м3 сточных вод, 90% которых не подвергается предварительной очистке. Морские экосистемы подвергаются все большему антропогенному воздействию посредством химических токсикантов, которые, аккумулируясь гидробионтами, по трофической цепи, приводят к гибели консументов даже высоких порядков, в том числе и наземных животных морских птиц, например. Среди химических токсикантов наибольшую опасность для морской биоты и человека представляют нефтяные углеводороды (особенно бенз(а)пирен), пестициды и тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий и др.). Экологические последствия загрязнения морских экосистем выражаются в следующих процессах и явлениях (рис. 14.4, Ю. А. Израэль, 1985): нарушении устойчивости экосистем; прогрессирующей эвтрофикации; 186 появлении «красных приливов»; накоплении химических токсикантов в биоте; снижении биологической продуктивности; возникновении мутагенеза и канцерогенеза в морской среде; микробиологическом загрязнении прибрежных районов моря. Рис. 14.4. Экологические последствия загрязнения Мирового океана До определенного предела морские экосистемы могут противостоять вредным воздействиям химических токсикантов, используя накопительную, окислительную и минерализующую функции гидробионтов. Так, например, двухстворчатые моллюски способны аккумулировать один из самых токсичных пестицидов ДДТ и при благоприятных условиях выводить его из организма. (ДДТ, как известно, запрещен в России, США и некоторых других странах, тем не менее он поступает в Мировой океан в значительном количестве.) Ученые доказали и существование в водах Мирового океана интенсивных процессов биотрансформации бенз(а)пирена, благодаря наличию в открытых и полузакрытых акваториях гетеротрофной микрофлоры. Установлено также, что микроорганизмы водоемов и донных отложений обладают достаточно развитым механизмом устойчивости к тяжелым металлам, в частности, они способны продуцировать сероводород, внеклеточные экзополимеры и другие вещества, которые, взаимодействуя с тяжелыми металлами, переводят их в менее токсичные формы. В то же время в океан поступают все новые и новые токсичные загрязняющие вещества, все более острый характер приобретают проблемы эвтрофирования и микробиологического загрязнения прибрежных зон океана. В связи с этим важное значение имеет определение допустимого антропогенного давления на морские экосистемы, изучение их ассимиляционной емкости как интегральной характеристики способности биогеоценоза к динамическому накоплению и удалению загрязняющих веществ. Для здоровья человека неблагоприятные последствия при использовании загрязненной воды, а также при контакте с ней (купание, стирка, рыбная ловля и др.) проявляются либо непосредственно при питье, либо в результате биологического накопления по длинным пищевым цепям типа вода планктон рыбы человек или вода почва растения животные человек и др. 187 При контакте человека с загрязненной водой различные паразиты могут проникнуть в кожу и вызвать тяжелые заболевания, особенно характерные для тропиков и субтропиков. В современных условиях увеличивается опасность и таких эпидемических заболеваний, как холера, брюшной тиф, дизентерия и др., вызванных бактериальным загрязнением воды. 14.3. ИСТОЩЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД Истощение вод следует понимать как недопустимое сокращение их запасов в пределах определенной территории (для подземных вод) или уменьшение минимально допустимого стока (для поверхностных вод). И то и другое приводит к неблагоприятным экологическим последствиям, нарушает сложившиеся экологические связи в системе человек биосфера. Практически во всех крупных промышленных городах мира, в том числе в Москве, СанктПетербурге, Киеве, Харькове, Донецке и других городах, где подземные воды длительное время эксплуатировались мощными водозаборами, возникли значительные депрессионные воронки (понижения) с радиусами до 20 км и более. Так, например, усиление водоотбора подземных вод в Москве привело к формированию огромной районной депрессии с глубиной до 7080 м, а в отдельных районах города до 110 м и более. Все это в конечном счете приводит к значительному истощению подземных вод. По данным Государственного водного кадастра, в 90-е годы в нашей стране в процессе работы водозаборов отбиралось свыше 125 млн м3/сут. В результате на значительных территориях резко изменились условия взаимосвязи подземных вод с другими компонентами природной среды, нарушилось функционирование наземных экосистем. Интенсивная эксплуатация подземных вод в районах водозаборов и мощный водоотлив из шахт, карьеров приводит к изменению взаимосвязи поверхностных и подземных вод, к значительному ущербу речному стоку, к прекращению деятельности тысячи родников, многих десятков ручьев и небольших рек. Кроме того, в связи со значительным снижением уровней подземных вод наблюдаются и другие негативные изменения экологической обстановки: осушаются заболоченные территории с большим видовым разнообразием растительности, иссушаются леса, гибнет влаголюбивая растительность гидро- и гигрофиты и др. Так например, на Айдосском водозаборе в Центральном Казахстане призошло понижение подземных вод, которое вызвало высыхание и отмирание растительности, а также резкое сокращение транспирационного расхода (Хордикайнен, 1989). Довольно быстро отмерли гидрофиты (ива, тростник, рогоз, чиевик), частично погибли даже растения с глубоко проникающей корневой системой (полынь, шиповник, жимолость татарская и др.); выросли тугайные заросли. Искусственное понижение уровня подземных вод, вызванное интенсивной откачкой, отразилось и на экологическом состоянии прилегающих к водозабору участках долины рек. Этот же антропогенный фактор может приводить к ускорению времени смены сукцессионного ряда, а также к выпадению отдельных его стадий. Длительная интенсификация водозаборов в определенных геолого-гидрогеологических условиях может вызвать медленное оседание и деформации земной поверхности. Последнее негативно сказывается на состоянии экосистем, особенно прибрежных районов, где затапливаются пониженные участки и нарушается нормальное функционирование естественных сообществ организмов и всей среды обитания человека. Истощению подземных вод способствует также длительный неконтролируемый самоизлив артезианских вод из скважин. Истощение поверхностных вод проявляется в прогрессирующем снижении их минимально допустимого стока. На территории России поверхностный сток воды распределяется крайне неравномерно. Около 90% общего годового стока с территории России выносится в Северный Ледовитый и Тихий океаны, а на бассейны внутреннего стока (Каспийское и Азовское море), где проживает свыше 65% населения России, приходится менее 8% общего годового стока. Именно в этих районах наблюдается истощение поверхностных водных ресурсов и дефицит пресной воды продолжает расти. Связано это не только с неблагоприятными климатическими и 188 гидрологическими условиями, но и с активизацией хозяйственной деятельности человека, которая приводит ко все более возрастающему загрязнению вод, снижению способности водоемов к самоочищению, истощению запасов подземных вод, а следовательно, к снижению родникового стока, подпитывающего водотоки и водоемы. Серьезнейшая экологическая проблема восстановление водности и чистоты малых рек (длиной не более 100 км), наиболее уязвимого звена в речных экосистемах. Именно они оказались наиболее восприимчивыми к антропогенному воздействию. Непродуманное хозяйственное использование водных ресурсов и прилегающих земельных угодий вызвало их истощение (а нередко и исчезновение), обмеление и загрязнение. В настоящее время состояние малых рек и озер, особенно на Европейской части России, в результате резко возросшей антропогенной нагрузки на них, катастрофическое. Сток малых рек снизился более чем наполовину, качество воды неудовлетворительное. Многие из них полностью прекратили свое существование. К другим весьма значительным видам воздействия человека на гидросферу следует отнести: создание крупных водохранилищ, коренным образом преобразующих природную среду на прилегающих территориях, и изъятие на хозяйственные цели большого количества воды из впадающих в водоемы рек, что приводит к сокращению и усыханию многих внутренних водоемов (Аральское море, Мертвое море и др.). Создание крупных водохранилищ, особенно равнинного типа, для аккумуляции и регулирования поверхностного стока приводит к разнонаправленным последствиям (рис. 14.5) в окружающей природной среде. Рис. 14.5. Экологические последствия создания водохранилищ Необходимо учитывать, что создание водохранилищ путем перегораживания русла водотоков плотинами чревато серьезными негативными последствиями для большинства гидробионтов. Из-за того, что многие нерестилища рыб оказываются отрезанными плотинами, резко ухудшается или прекращается естественное воспроизводство многих лососевых, осетровых и других проходных рыб. К очень серьезным негативным экологическим последствиям приводит и изъятие на хозяйственные цели большого количества воды из впадающих в водоемы рек. Так, уровень некогда 189 многоводного Аральского моря, начиная с 60-х гг., катастрофически понижается, в связи с недопустимо высоким перезабором воды из Амударьи и Сырдарьи. В результате объем Аральского моря сократился более чем наполовину, уровень моря снизился на 13 м, а соленость воды (минерализация) увеличилась в 2,5 раза. Академик Б. Н. Ласкарин по поводу трагедии Аральского моря высказался следующим образом: «Мы остановились у самого края пропасти… Арал губили можно сказать целенаправленно. Существовала даже некая антинаучная гипотеза, по которой Арал считался ошибкой природы. Якобы он мешал осваивать водные ресурсы Сырдарьи и Амударьи (говорили, что, забирая их воду, Арал испаряет ее в воздух). Сторонники этой идеи не думали ни о рыбе, ни о том, что Арал центр оазиса». Осушенное дно Аральского моря становится сегодня крупнейшим источником пыли и солей. В дельте Амударьи и Сырдарьи на месте гибнущих тугайных лесов и тростниковых зарослей появляются бесплодные солончаки. Трансформация фитоценозов на берегу Аральского моря и в дельтах Амударьи и Сырдарьи происходит на фоне высыхания озер, проток, болот и повсеместного снижения уровня грунтовых вод, обусловленного падением уровня моря. В целом перезабор воды из Амударьи и Сырдарьи и падение уровня моря вызвали такие экологические изменения приаральского ландшафта, которые могут быть охарактеризованы как опустынивание. Для сохранения и восстановления Аральского моря, нормализации экологической, санитарногигиенической и социально-экономической ситуации в Приаралье необходимы совместные усилия государств Средней Азии и Казахстана по перестройке экономики этих стран (отказ от ориентации на чрезвычайно водоемкие сельскохозяйственные культуры, сокращение орошаемых площадей и т. д.), постоянная ориентация на экологически устойчивое развитие. Контрольные вопросы 1. В чем проявляется загрязнение подземных и поверхностных вод и каковы их главные загрязнители? 2. Назовите основные виды загрязнения подземных вод. 3. Как загрязняющие вещества попадают в поверхностные воды? 4. Что такое антропогенное эвтрофирование и каково его влияние на природные экосистемы? 5. Каковы экологические последствия загрязнения морских экосистем? 6. Что понимают под истощением вод? К каким неблагоприятным экологическим последствиям оно приводит? Приведите примеры. 7. В чем причины экологической катастрофы Аральского моря? 190 ГЛАВА 15. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЛИТОСФЕРУ ВСТУПЛЕНИЕ Верхняя часть литосферы, которая непосредственно выступает как минеральная основа биосферы, с каждым годом подвергается все более возрастающему антропогенному воздействию. В эпоху бурного экономического развития, когда в процесс производства вовлечена практически вся биосфера планеты, человек, по гениальному предвидению В. И. Вернадского, стал «крупнейшей геологической силой», под действием которой меняется лик Земли. Уже сегодня воздействие человека на литосферу приближается к пределам, переход которых может вызвать необратимые процессы почти по всей поверхностной части земной коры. В процессе преобразования литосферы человек (по данным на начало 90-х гг.) извлек 125 млрд т угля, 32 млрд т нефти, более 100 млрд т других полезных ископаемых. Распахано земель в мире более 1500 млн га, заболочено и засолено 20 млн га. Эрозией за сто лет уничтожено 2 млн га, площадь оврагов превысила 25 млн га. Высота терриконов достигает 300 м, горных отвалов 150 м, глубина засыпанных шахт для добычи золота превышает 4 км (Южная Африка), нефтяных скважин 6 км. Экологическая функция литосферы выражается в том, что она является «базовой подсистемой биосферы: образно говоря, вся континентальная и почти вся морская биота опирается на земную кору. Например, техногенное разрушение минимального слоя горных пород на суше или шельфе автоматически уничтожает биоценоз. Но кроме того, литосфера служит основным поставщиком минерально-сырьевых и в том числе энергетических ресурсов, большая часть которых относится к невозобновимым» (Епишин, 1985). Рассмотрим техногенные изменения следующих основных составляющих литосферы: 1) почв; 2) горных пород и их массивов; 3) недр. 15.1. ДЕГРАДАЦИЯ ПОЧВ (ЗЕМЕЛЬ) Деградация почвы это постепенное ухудшение ее свойств, которое сопровождается уменьшением содержания гумуса и снижением плодородия. Почва один из важнейших компонентов окружающей природной среды. Все основные ее экологические функции замыкаются на одном обобщающем показателе почвенном плодородии. Отчуждая с полей основной (зерно, корнеплоды, овощи и др.) и побочный урожай (солома, листья, ботва и др.), человек размыкает частично или полностью биологический круговорот веществ, нарушает способность почвы к саморегуляции и снижает ее плодородие. Даже частичная потеря гумуса, и как следствие снижение плодородия, не дает почве возможность выполнить в полной мере свои экологические функции и она начинает деградировать т. е. ухудшать свои свойства. К деградации почв (земель) ведут и другие причины, преимущественно антропогенного характера. В наибольшей степени деградируют почвы агроэкосистем. Причина неустойчивого состояния агроэкосистем обусловлена их упрощенным фитоценозом, который не обеспечивает оптимальную саморегуляцию, постоянство структуры и продуктивности. И если у природных экосистем биологическая продуктивность обеспечивается действием естественных законов природы, то выход первичной продукции (урожая) в агроэкосистемах всецело зависит от такого субъективного фактора, как человек, уровня его агрономических знаний, технической оснащенности, социальноэкономических условий и т. д., а значит, остается непостоянным. Например, в случае создания человеком монокультуры (пшеницы, свеклы, кукурузы и т. д.) в агроэкосистеме нарушается видовое разнообразие растительных сообществ. Агроэкосистема упрощается, объединяется и становится неустойчивой, не способной противостоять абиотическому или биотическому экологическому стрессу. 191 Основные виды антропогенного воздействия на почвы следующие: 1) эрозия (ветровая и водная); 2) загрязнение; 3) вторичное засоление и заболачивание; 4) опустынивание; 5) отчуждение земель для промышленного и коммунального строительства. Эрозия почв (земель) Эрозия почв (от лат. erosio разъедание) разрушение и снос верхних наиболее плодородных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия) или потоками воды (водная эрозия). Земли, подвергшиеся разрушению в процессе эрозии, называют эродированными. К эрозионным процессам относят также промышленную эрозию (разрушение сельскохозяйственных земель при строительстве и при разработке карьеров), военную эрозию (воронки, траншеи), пастбищную эрозию (при интенсивной пастьбе скота), ирригационную (разрушение почв при прокладке каналов и нарушении норм поливов) и др. Однако настоящим бичом земледелия у нас в стране и в мире остаются водная эрозия (ей подвержены 31% суши) и ветровая эрозия (дефляция), активно действующая на 34% поверхности суши. В США эродировано, т. е. подвержено эрозии, 40% всех сельскохозяйственных земель, а в засушливых районах мира еще больше 60% от общей площади, из них 20% сильно эродированы. Эрозия оказывает существенное негативное влияние на состояние почвенного покрова, а во многих случаях разрушает его полностью. Падает биологическая продуктивность растений, снижаются урожаи и качество зерновых культур, хлопка, чая и др. Ветровая эрозия (дефляция) почв. Под ветровой эрозией понимают выдувание, перенос и отложение мельчайших почвенных частиц ветром. Интенсивность ветровой эрозии зависит от скорости ветра, устойчивости почвы, наличия растительного покрова, особенностей рельефа и от других факторов. Огромное влияние на ее развитие оказывают антропогенные факторы. Например, уничтожение растительности, нерегулируемый выпас скота, неправильное применение агротехнических мер резко активизируют эрозионные процессы. Различают местную (повседневную) ветровую эрозию и пыльные бури. Первая проявляется в виде поземок и столбов пыли при небольших скоростях ветра. Пыльные бури возникают при очень сильных и продолжительных ветрах. Скорость ветра достигает 2030 м/с и более. Наиболее часто пыльные бури наблюдаются в засушливых районах (сухие степи, полупустыни, пустыни). Пыльные бури безвозвратно уносят самый плодородный верхний слой почв; они способны развеять за несколько часов до 500 т почвы с 1 га пашни, негативно влияют на все компоненты окружающей природной среды, загрязняют атмосферный воздух, водоемы, отрицательно влияют на здоровье человека. В нашей стране пыльные бури неоднократно возникали в Нижнем Поволжье, на Северном Кавказе, в Башкирии и в других районах. Опустошительная пыльная буря отмечалась в апреле 1928 г., когда пострадало почти 1 млн км2 земель от Дона до Днепра. Ветер поднял более 15 млн т черноземной пыли до высоты 400700 м, выдувание почвы достигло 1012 см, а местами 25 см, т. е. практически почва была унесена на ту глубину, на которую она была вспахана. Старожилы на Северном Кавказе хорошо помнят пыльную бурю, охватившую в марте апреле 1960 г. значительную часть Северного Кавказа, Нижнего Дона и южную Украину. С огромной территории был снесен слой плодородной почвы толщиной до десяти сантиметров, повреждены озимые, засыпаны многие оросительные каналы. Вдоль полезащитных лесонасаждений, железнодорожных насыпей образовались земляные валы высотой до двух трех метров. В настоящее время крупнейший источник пыли Арал. На космических снимках видны 192 шлейфы пыли, которые тянутся в стороны от Арала на сотни километров. Общая масса переносимой ветром пыли в районе Арала достигает 90 млн т/г. Другой крупный пылевой очаг Черные земли Калмыкии. Водная эрозия почв (земель). Под водной эрозией понимают разрушение почв под действием временных водных потоков. Различают следующие формы водной эрозии: плоскостную, струйчатую, овражную, береговую. Как и в случае ветровой эрозии условия для проявления водной эрозии создают природные факторы, а основной причиной ее развития является производственная и иная деятельность человека. В частности, появление новой тяжелой почвообрабатывающей техники, разрушающей структуру почвы, одна из причин активизации водной эрозии в последние десятилетия. Другие негативные антропогенные факторы: уничтожение растительности и лесов, чрезмерный выпас скота, отвальная обработка почв и др. Среди различных форм проявления водной эрозии значительный вред окружающей природной среде и в первую очередь почвам приносит овражная эрозия. Экологический ущерб от оврагов огромен. Овраги уничтожают ценные сельскохозяйствнные земли, способствуют интенсивному смыву почвенного покрова, заиливают малые реки и водохранилища, создают густорасчлененный рельеф (рис. 15.1). Рис. 15.1. Овражно-балочная система Площадь оврагов только на территории Русской равнины составляет 5 млн га и продолжает увеличиваться. Подсчитано, что ежедневные потери почв из-за развития оврагов достигают 100200 га. Загрязнение почв Поверхностные слои почв легко загрязняются. Большие концентрации в почве различных химических соединений токсикантов пагубно влияют на жизнедеятельность почвенных организмов. При этом теряется способность почвы к самоочищению от болезнетворных и других нежелательных микроорганизмов, что чревато тяжелыми последствиями для человека, растительного и животного мира. Например, в сильно загрязненных почвах возбудители тифа и паратифа могут сохраняться до полутора лет, тогда как в незагрязненных лишь в течение двух трех суток. Основные загрязнители почвы: 1) пестициды (ядохимикаты); 2) минеральные удобрения; 3) отходы и отбросы производства; 4) газодымовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу; 5) нефть и нефтепродукты. 193 В мире ежегодно производится более миллиона тонн пестицидов. Только в России используется более 100 индивидуальных пестицидов, при общем годовом объеме их производства 100 тыс. т. Наиболее загрязненными пестицидами районами являются Краснодарский край и Ростовская область (в среднем около 20 кг на 1 га). В России на одного жителя приходится около одного килограмма в год пестицидов, во многих других развитых промышленных странах мира эта величина существенно выше (Лосев и др., 1993). Мировое производство пестицидов постоянно растет. В настоящее время влияние пестицидов на здоровье населения многие ученые приравнивают к воздействию на человека радиоактивных веществ. Достоверно установлено, что при применении пестицидов, наряду с некоторым увеличением урожайности, отмечается рост видового состава вредителей, ухудшаются пищевые качества и сохранность продукции, утрачивается естественное плодородие и т. д. По мнению ученых, подавляющая часть применяемых пестицидов попадает в окружающую среду (воду, воздух), минуя виды-мишени. Пестициды вызывают глубокие изменения всей экосистемы, действуя на все живые организмы, в то время как человек использует их для уничтожения весьма ограниченного числа видов организмов. В результате наблюдается интоксикация огромного числа других биологических видов (полезных насекомых, птиц) вплоть до их исчезновения. К тому же человек старается использовать значительно больше пестицидов, чем это необходимо, и еще более усугубляет проблему. Среди пестицидов наибольшую опасность представляют стойкие хлорорганические соединения (ДДТ, ГХБ, ГХЦГ), которые могут сохраняться в почвах в течение многих лет и даже малые их концентрации в результате биологического накопления могут стать опасными для жизни организмов. Но и в ничтожных концентрациях пестициды подавляют иммунную систему организма, а в более высоких концентрациях обладают выраженными мутагенными и канцерогенными свойствами. Попадая в организм человека, пестициды могут вызвать не только быстрый рост злокачественных новообразований, но и поражать организм генетически, что может представлять серьезную опасность для здоровья и будущих поколений. Вот почему применение наиболее опасного из них ДДТ в нашей стране и в ряде других стран запрещено. Таким образом, можно с уверенностью констатировать, что общий экологический вред от использования загрязняющих почву пестицидов многократно превышает пользу от их применения. Воздействие пестицидов оказывается весьма негативным не только для человека, но и для всей фауны и флоры. Растительный покров оказался очень чувствительным к действию пестицидов, причем не только в зонах его применения, но и в местах достаточно удаленных от них, из-за переноса загрязняющих веществ ветром или поверхностным стоком воды (рис. 15.2). 194 Рис. 15.2. Движение пестицидов в биосфере. Значительная часть пестицидов не достигает обрабатываемой территории, сносится и оседает в более или менее удаленных экосистемах (по Rudd, 1971, c изменениями) Пестициды способны проникать в растения из загрязненной почвы через корневую систему, накапливаться в биомассе и впоследствии заражать пищевую цепь. При распылении пестицидов наблюдается значительная интоксикация птиц (орнитофауны). Особенно страдают популяции певчих и перелетных дроздов, жаворонков и других воробьиных. Работами отечественных и зарубежных исследователей неопровержимо доказано, что загрязнение почв пестицидами вызывает не только интоксикацию человека и большого числа видов животных, но и ведет к существенному нарушению воспроизводящих функций и, как следствие, к тяжелым демоэкологическим последствиям. С длительным применением пестицидов связывают также развитие резистентных (устойчивых) рас вредителей и появление новых вредных организмов, естественные враги которых были уничтожены. Почвы загрязняются и минеральными удобрениями, если их используют в неумеренных количествах, теряют при производстве, транспортировке и хранении. Из азотных, суперфосфатных и других типов удобрений в почву в больших количествах мигрируют нитраты, сульфаты, хлориды и другие соединения. Б. Коммонер (1975) установил, что при самых благоприятных условиях из всего количества азотных удобрений, применяемых в США, поглощается растениями 80%, а в среднем по стране лишь 50%. Это приводит к нарушению биогеохимического круговорота азота, фосфора и некоторых других элементов. Экологические последствия этого нарушения в наибольшей степени проявляются в водной среде, в частности при формировании эвтрофии, которая возникает при смыве с почв избыточного количества азота, фосфора и других элементов. В последнее время выявлен еще один неблагоприятный аспект неумеренного потребления минеральных удобрений и в первую очередь нитратов. Оказалось, что большое количество нитратов снижает содержание кислорода в почве, а это способствует повышенному выделению в атмосферу двух «парниковых» газов закиси азота и метана. Нитраты опасны и для человека. Так, при поступлении нитратов в человеческий организм в концентрации свыше 50 мг/л отмечается их прямое общетоксическое воздействие, в частности возникновение метгемоглобинемии вследствие биологических превращений нитратов в нитриты и другие токсичные соединения азота. Неумеренное употребление минеральных удобрений вызывает в ряде районов и нежелательное подкисление почв. 195 К интенсивному загрязнению почв приводят отходы и отбросы производства. В стране ежегодно образуется свыше миллиарда тонн промышленных отходов, из них более 50 млн т особо токсичных. Огромные площади земель заняты свалками, золоотвалами, хвостохранилищами и др., которые интенсивно загрязняют почвы, способность которых к самоочищению, как известно, ограничена. Огромный вред для нормального функционирования почв представляют газодымовые выбросы промышленных предприятий. По данным многочисленных исследований, почва обладает способностью накапливать весьма опасные для здоровья человека загрязняющие вещества, например, тяжелые металлы (табл. 15.1). Вблизи ртутного комбината содержание ртути в почве из-за газодымовых выбросов может повышаться до концентрации в сотни раз, превышающих допустимые. Таблица 15.1 Последствия воздействия некоторых тяжелых металлов на здоровье человека Значительное количество свинца содержат почвы, находящиеся в непосредственной близости от автомобильных дорог. Результаты анализа образцов почвы, отобранных на расстоянии нескольких метров от дороги, показывают 30-кратное превышение концентрации свинца по сравнению с его содержанием (20 мкг/г) в почве незагрязненных районов (Загрязнение воздуха…, 1988). По данным агрохимической службы России (1997), почти 0,4 млн га в нашей стране оказались загрязненными медью, свинцом, кадмием и др. Еще больше земель были загрязнены радионуклидами и радиоактивными изотопами в результате Чернобыльской катастрофы. Одной из серьезных экологических проблем России становится загрязнение земель нефтью и нефтепродуктами в таких нефтедобывающих районах, как Западная Сибирь, Среднее и Нижнее Поволжье и др. Причины загрязнения аварии на магистральных и внутрипромысловых нефтепроводах, несовершенство технологии нефтедобычи, аварийные и технологические выбросы и т. д. В результате, например, в отдельных районах Тюменской и Томской областей концентрации нефтяных углеводородов в почвах превышают фоновые значения в 150250 раз. На Тюменском Севере площади оленьих пастбищ уменьшились на 12,5%, т. е. на 6 млн га, замазученными оказались 30 тыс. га. В Западной Сибири выявлено свыше 20 тыс. га, загрязненных нефтью, толщина слоя которой не менее пяти сантиметров (Государственный доклад…, 1995). Значительную угрозу для здоровья людей представляет загрязнение почв различными 196 патогенами, которые могут проникать в организм человека следующим образом (Розанов,1984): во-первых, через цепь человек почва человек. Патогенные организмы выделяются зараженным человеком и через почву передаются другому либо через выращенные на зараженной почве овощи и фрукты. Таким способом человек может заболеть холерой, бациллярной дезинтерией, брюшным тифом, паратифом и др. Аналогичным путем в организм человека могут попадать и черви-паразиты; во-вторых, через цепь животные почва человек. Существует ряд заболеваний животных, которые передаются человеку (лептосориаз, сибирская язва, туляремия, лихорадка Ку и др.) путем прямого контакта с почвой, загрязненной выделениями инфицированных животных; в-третьих, через цепь почва человек, когда патогенные организмы попадают из нее в организм человека при прямом контакте (столбняк, ботулизм, микозы и др.). Вторичное засоление и заболачивание почв В процессе хозяйственной деятельности человек может усиливать природное засоление почв. Такое явление носит название вторичного засоления и развивается оно при неумеренном поливе орошаемых земель в засушливых районах. Во всем мире процессам вторичного засоления и осолонцевания подверженно около 30% орошаемых земель. Площадь засоленных почв в России составляет 36 млн га (18% общей площади орошаемых земель). Засоление почв ослабляет их вклад в поддержание биологического круговорота веществ. Исчезают многие виды растительных организмов, появляются новые растения галофиты (солянка и др.). Уменьшается генофонд наземных популяций в связи с ухудшением условий жизни организмов, усиливаются миграционные процессы. Заболачивание почв наблюдается в сильно переувлажненных районах, например, в Нечерноземной зоне России, на Западно-Сибирской низменности, в зонах вечной мерзлоты. Заболачивание почв сопровождается деградационными процессами в биоценозах, появлением признаков оглеения и накоплением на поверхности неразложившихся остатков. Заболачивание ухудшает агрономические свойства почв и снижает производительность лесов. Опустынивание Одним из глобальных проявлений деградации почв, да и всей окружающей природной среды в целом, является опустынивание. По Б. Г. Розанову (1984), опустынивание это процесс необратимого изменения почвы и растительности и снижения биологической продуктивности, который в экстремальных случаях может привести к полному разрушению биосферного потенциала и превращению территории в пустыню. Всего в мире подвержено опустыниванию более 1 млрд га практически на всех континентах (рис. 15.3). Причины и основные факторы опустынивания различны (рис. 15.4). Как правило, к опустыниванию приводит сочетание нескольких факторов, совместное действие которых резко ухудшает экологическую ситуацию. 197 Рис. 15.3. Пустыни и территории, подвергающиеся опустыниванию (Конференция ООН по опустыниванию, 1977): степень опустынивания: 1 очень высокая; 2 высокая; 3 умеренная; 4 гипераридные пустыни Рис. 15.4. Основные факторы и причины развития опустынивания На территории, подверженной опустыниванию, ухудшаются физические свойства почв, гибнет растительность, засоляются грунтовые воды, резко падает биологическая продуктивность, а следовательно, подрывается и способность экосистем восстанавливаться. «И если эрозию можно назвать недугом ландшафта, то опустынивание это его смерть» (Доклад ФАО ООН). Процесс этот получил столь широкое распространение, что явился предметом международной программы «Опустынивание». В докладе ЮНЕП (организация ООН по окружающей среде) подчеркивается, что 198 опустынивание это результат длительного исторического процесса, в ходе которого неблагоприятные явления природы и деятельность человека, усиливая друг друга, приводят к изменению характеристик природной среды. Опустынивание является одновременно социально-экономическим и природным процессом, оно угрожает примерно 3,2 млрд га земель, на которых проживают более 700 млн человек. Особенно опасное положение сложилось в Африке в зоне Сахеля (Сенегал, Нигерия, Буркина Фасо, Мали и др.) переходной биоклиматической зоне (шириной до 400 км) между пустыней Сахара на севере и саваной на юге. Причина катастрофического положения в Сахеле обусловлена сочетанием двух факторов: 1) усилением воздействия человека на природные экосистемы с целью обеспечения продовольствием быстро растущего населения и 2) изменившимися метеорологическими условиями (длительными засухами). Интенсивный выпас скота приводит к чрезмерной нагрузке на пастбища и уничтожению и без того разреженной растительности с низкой естественной продуктивностью. Опустыниванию способствует также массовое выжигание прошлогодней сухой травы, особенно после периода дождей, интенсивная распашка, снижение уровня грунтовых вод и др. Выбитая растительность и сильно разрыхленные почвы создают условия для интенсивного выдувания (дефляции) поверхностного слоя земли. Изменение природных комплексов и их деградация особенно заметны в период засух. Многие экологи считают, что в списке злодеяний против окружающей среды на второе место после гибели лесов можно поставить «опустынивание». На территории СНГ опустыниванию подвержено Приаралье, Прибалхашье, Черные земли в Калмыкии и Астраханской области и некоторые другие районы. Все они относятся к зонам экологического бедствия и их состояние продолжает ухудшаться. В результате непродуманной хозяйственной деятельности на этих территориях произошли глубокие необратимые деградационные изменения природной среды и в первую очередь ее эдафической части. Это повлекло за собой резкое снижение биоразнообразия фито- и зооценозов и разрушение природных экосистем. Специалисты отмечают, что там, где по условиям рельефа, качества почвы, мощности первостоя можно было выпасать только одну овцу, выпасалось в десятки раз больше. В результате травянистые пастбища превратились в эродированные земли. Только за последние пять лет площадь подвижных песков в Калмыкии увеличилась на 50 тыс. га. Отчуждение земель Почвенный покров агроэкосистем необратимо нарушается при отчуждении земель для нужд несельскохозяйственного пользования: строительства промышленных объектов, городов, поселков, для прокладки линейно-протяженных систем (дорог, трубопроводов, линий связи), при открытой разработке месторождений полезных ископаемых и т. д. По данным ООН, в мире только при строительстве городов и дорог ежегодно безвозвратно теряется более 300 тыс. га пахотных земель. Конечно, эти потери в связи с развитием цивилизации неизбежны, однако они должны быть сокращены до минимума. 15.2. ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГОРНЫЕ ПОРОДЫ И ИХ МАССИВЫ Горные породы В процессе инженерно-хозяйственной деятельности человека горные породы, слагающие верхнюю часть земной коры, в той или иной степени претерпевают сжатие, растяжение, сдвижение, водонасыщение, осушение, вибрации и другие воздействия. Изменения, происходящие в породах при различных воздействиях, детально изучают. Это необходимо для прогноза возможного развития опасных геологических процессов, негативно влияющих на экологическую обстановку. К числу основных антропогенных воздействий на породы относятся: статические и динамические нагрузки, тепловое воздействие, электрические воздействия и др. 199 Статические нагрузки. Это наиболее распространенный вид антропогенного воздействия на горные породы. Под действием статических нагрузок от зданий и сооружений, достигающих 2 МПа и более, образуется зона активного изменения горных пород, достигающая глубин 70100 м. При этом наибольшие изменения наблюдаются в: 1) вечномерзлых льдистых породах, на участках залегания которых часто наблюдаются оттаивание, пучение и другие процессы; 2) сильносжимаемых породах, например, заторфованных, илистых и др. Динамические нагрузки. Вибрации, удары, толчки и другие динамические нагрузки типичны при работе транспорта, ударных и вибрационных строительных машин, заводских механизмов и т. д. Наиболее чувствительны к сотрясению рыхлые недоуплотненные породы (пески, водонасыщенные лессы, торф и др.). Прочность этих пород заметно снижается, они уплотняются (равномерно или неравномерно), структурные связи нарушаются, возможно внезапное разжижение и образование оползней, обвалов, плывущих выбросов и других неблагоприятных процессов. Особым видом динамических нагрузок являются взрывы, действие которых сходно с сейсмическими воздействиями. Массивы горных пород взрывают при строительстве автомобильных и железных дорог, гидротехнических плотин, добыче полезных ископаемых и т. д. Очень часто взрывы сопровождаются нарушением природного равновесия возникают оползни, обвалы, осовы и т. п. Так, по данным А. А. Махорина (1985), в результате взрыва многотонного заряда в одном из районов Кыргызстана, при строительстве каменно-набросной плотины, на склонах образовалась зона нарушенных пород с трещинами от 0,2 до 1 м в ширину и до 200 м в длину. По ним произошли смещения горных пород объемом до 30 тыс. м3. Тепловое воздействие. Повышение температуры горных пород наблюдается при подземной газификации углей, в основании доменных и мартеновских печей и др. В ряде случаев температура пород повышается до 4050 С, а иногда и до 100 С и более (в основании доменных печей). В зоне подземной газификации углей при температуре 10001600 С породы спекаются, «каменеют», теряют свои первоначальные свойства. Как и другие виды воздействия, тепловой антропогенный поток влияет не только на состояние горных пород, но и на другие компоненты окружающей природной среды. Изменяются почвы, подземные воды, растительность. Электрическое воздействие. Создаваемое в горных породах искусственное электрическое поле (электрифицированный транспорт, ЛЭП и др.) порождает блуждающие токи и поля. Наиболее заметно они проявляются на городских территориях, где имеется наибольшая плотность источников электроэнергии. При этом изменяются электропроводность, электросопротивляемость и другие электрические свойства пород. Динамическое, тепловое и электрическое воздействие на горные породы создают физическое загрязнение окружающей природной среды. Массивы горных пород Массивы горных пород и, в первую очередь, их поверхностные толщи, в ходе инженернохозяйственного освоения, подвергаются мощному антропогенному воздействию. Возникают (или усиливаются) такие опасные ущербообразующие геологические процессы, как оползни, карст, подтопление и др. Оползни. Оползни представляют собой скольжение горных пород вниз по склону под действием собственного веса грунта и нагрузки фильтрационной, сейсмической или вибрационной. Для оползней характерно отсутствие вращения и опрокидывания смещающихся масс. Оползни явление частое на склонах долин рек, оврагов, берегов морей, искусственных выемок. Большой ущерб природной среде ежегодно приносят оползневые процессы на берегах Черноморского побережья Кавказа, Крыма, в долинах Волги, Днепра, Дона и многих других рек и горных районов. Оползни нарушают устойчивость массивов горных пород, негативно влияют на многие другие компоненты окружающей природной среды (нарушение поверхностного стока, истощение ресурсов 200 подземных вод при их вскрытии, образование заболоченностей, нарушение почвенного покрова, гибель деревьев и т. д.). Известно немало примеров оползневых явлений катастрофического характера, приводящих к значительным человеческим жертвам. Карст. Геологическое явление, связанное с растворением водой горных пород (известняков, доломита, гипса или каменной соли), образованием при этом подземных пустот (пещер, каверн и др.) и сопровождаемое провалом земной поверхности, получило название карста. Массивы горных пород, в которых развивается карст, называются закарстованными. Карст широко распространен в мире, в том числе и в России, в частности в Башкирии, Крыму, в центральной части Русской равнины, в Приангарье, на Северном Кавказе и во многих других местах, где имеются растворимые горные породы. Хозяйственное освоение закарстованных массивов горных пород ведет к существенному изменению природной среды. Карстовые процессы заметно оживляются: образуются новые провалы, воронки, колодцы и др. По данным Р. Ньютона (1984), в США только в штате Алабама произошло более 40 тыс. искусственно вызванных провалов и оседаний земной поверхности, связанных с активизацией карста. Отдельные воронки достигли 5060 м в диаметре и до 30 м в глубину. Образование провалов и воронок связывают с интенсификацией отбора подземных вод. Активизация карста отмечается и во многих районах России, в частности на территории Москвы и Московской области. Ранее Москва считалась городом, где карстовые процессы затухли и не проявляли себя на поверхности земли. Указанная выше причина, а также динамические вибрационные воздействия транспорта и строительства, статические нагрузки и другие факторы (возможно загрязнение подземных вод) заметно усилили эти процессы. Одним из важных направлений в сохранении окружающей природы является охрана карстовых пещер уникальных памятников природы (рис.15.5). При массовых туристских посещениях в них нарушается тепловой и водный режим, возможно «таяние» сталактитов и сталагмитов, другие негативные изменения геологической среды. Рис. 15.5. Большая Азишская карстовая пещера (Северный Кавказ) 201 Подтопление. Процесс подтопления яркий пример ответной реакции природной среды на действие антропогенных факторов. Впервые он привлек внимание при создании водохранилищ, когда уровень грунтовых вод по их берегам стал быстро подниматься. В настоящее время под подтоплением понимают любое повышение уровня грунтовых вод до критических величин (менее одного двух метров от поверхности земли). Подтопление территорий весьма негативно влияет на природную среду. Массивы горных пород переувлажняются и заболачиваются. Активизируются оползни, карст и другие неблагоприятные процессы. В лессовых глинистых грунтах возникают просадки, в глинах набухание. Возрастает сейсмическая балльность подтопленной территории. Кроме того, в результате вторичного засоления почв угнетается растительность, возможно химическое и бактериальное загрязнение грунтовых вод, ухудшается санитарно-эпидемиологическая обстановка. Причины подтопления разнообразны, но практически всегда связаны с деятельностью человека. Это утечки воды из подземных водонесущих коммуникаций, засыпка естественных дрен оврагов, асфальтирование и застройка территории, нерациональный полив улиц, садов, скверов, барраж подземных вод (т. е. задержка их движения глубокими фундаментами), фильтрация из водохранилищ, прудов-охладителей АЭС и др. Сейчас в нашей стране подтопление территорий, особенно городских, приняло массовый характер. В России подтоплено свыше 900 городов и поселков городского типа, в том числе такие города, как Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Волгоград, Иркутск, Новосибирск, Саратов и многие другие. Вечная мерзлота. В ряде районов земного шара (север Европы и Америки, север и восток Азии) толщи верхней части земной коры постоянно находятся в мерзлом состоянии. Их температура всегда ниже 0 С. Такие породы называют вечномерзлыми (или многолетнемерзлыми), а территорию областью вечной мерзлоты. На территории нашей страны они занимают более 60% площади. Происхождение вечной мерзлоты связывают с оледенением четвертичного периода. В последние десятилетия в сферу строительного освоения в районах вечной мерзлоты вовлекаются все новые и новые территории: север Западной Сибири, шельф арктических морей, земли Нерюнгринского месторождения и многие другие. Вторжение человека не проходит бесследно для «хрупких» природных экосистем Севера: разрушается почвенно-растительный слой, изменяется рельеф, режим снегового покрова, возникают болота, нарушаются взаимосвязи и взаимодействия экосистем. Исследования американских и других ученых позволили выделить основные особенности (рис. 15.6), обуславливающие хрупкость экосистем в области вечной мерзлоты. В первую очередь это очень небольшое видовое разнообразие организмов, поскольку лишь немногочисленная группа отдельных видов способна приспособиться к существованию в условиях «вечного холода». 202 Рис. 15.6. Основные особенности природных экосистем Севера Движение машин, тракторов и другого вида транспорта, особенно гусеничного, разрушает покров из мха, лишайников и др., что приводит к резкому снижению устойчивости экосистем и к их угнетению. Массовую гибель лишайников вызывает и малейшее загрязнение воздуха диоксидом серы. Эндогенные геодинамические процессы землетрясения и вулканизм вызывают весьма значительные смещения горных пород в земной коре, уничтожают животный и растительный мир, приводят к многочисленным, а нередко к катастрофическим человеческим жертвам и другим тяжелым экологическим последствиям (подробнее об этих процессах см. в гл. 16). 15.3. ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕДРА Недрами называют верхнюю часть земной коры, в пределах которой возможна добыча полезных ископаемых. Экологические и некоторые другие функции недр как природного объекта достаточно многообразны (рис. 15.7). Рис. 15.7. Экологические и другие функции недр Являясь естественным фундаментом земной поверхности, недра активно влияют на 203 окружающую природную среду. В этом заключается их главная экологическая функция. Основное природное богатство недр минерально-сырьевые ресурсы, т. е. совокупность полезных ископаемых, заключенных в них. Добыча (извлечение) полезных ископаемых с целью их переработки главная цель пользования недрами. Недра источник не только минеральных ресурсов, но и огромных энергетических запасов. По подсчетам ученых, в среднем из недр к поверхности поступает 32,3 1012 Вт геотермальной энергии. В нашей стране сосредоточены огромные запасы полезных ископаемых, в том числе и геотермального тепла. Ее потребности в минеральных и других природных ресурсах могут быть полностью обеспечены за счет собственных национальных ресурсов. Тем не менее непрерывный рост потребления минерального сырья повышает значение научно обоснованного, эффективного использования полезных ископаемых, требует от всех организаций и граждан бережного отношения к богатству недр. Иначе говоря, необходимы рациональное использование недр и их охрана. Важно подчеркнуть также, что в наши дни недра должны рассматриваться не только в качестве источника полезных ископаемых или резервуара для захоронения отходов, но и как часть среды обитания человека в связи со строительством метрополитенов, подземных городов, объектов гражданской обороны и т. д. Экологическое состояние недр определяется прежде всего силой и характером воздействия на них человеческой деятельности. В современный период масштабы антропогенного воздействия на земные недра огромны. Только за один год на десятках тысяч горнодобывающих предприятий мира извлекается и перерабатывается более 150 млрд т горных пород, откачиваются миллиарды тонн кубических метров подземных вод, накапливаются горы отходов. Только на территории Донбасса расположено более 2000 отвалов пород, вынутых из пустых шахт терриконов, достигающих высоты 5080 м, а в отдельных случаях и более 100 м, объемом 24 млн м2 (рис. 15. 8). В России действуют несколько тысяч карьеров для открытой разработки полезных ископаемых, из них самые глубокие Коркинские угольные карьеры в Челябинской области (более 500 м). Глубина угольных шахт нередко превышает 1500 м. Приведенные данные показывают, что недра нуждаются в постоянной экологической защите, в первую очередь от истощения запасов полезных ископаемых, а также от загрязнения их вредными отходами, неочищенными сточными водами и т. д. Рис. 15.8. Общий вид террикона (фото И. И. Сипягиной) С другой стороны, разработка недр оказывает вредное воздействие практически на все компоненты окружающей природной среды и ее качество в целом (рис. 15.9). Нет в мире другой отрасли хозяйства, которую можно было бы сравнить с горнодобывающей промышленностью, по силе негативного воздействия на природные экосистемы, исключая разве что природные и техногенные катастрофы, подобно аварии на Чернобыльской АЭС. 204 Рис. 15.9. Экологические последствия разработки недр Окружающая природная среда испытывает значительные негативные изменения и при транспортировке минерального сырья, его переработке, строительстве горнорудных предприятий, подземных сооружений и т. д. Контрольные вопросы 1. В чем заключается экологическая функция литосферы? 2. Что такое деградация почв (земель) и каковы ее причины? 3. Кратко охарактеризуйте экологический ущерб от водной и ветровой эрозии. 4. Покажите, что общий экологический ущерб от пестицидов (ядохимикатов) превышает пользу от их применения. 5. Почему, если эрозию можно назвать недугом ландшафта, то опустынивание его смерть? 6. Что понимают под физическим загрязнением окружающей среды? 205 7. Какие опасные ущербообразующие геологические процессы вы знаете? 8. Объясните, почему разработка недр оказывает огромное негативное воздействие на окружающую среду? 206 ГЛАВА 16. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОТИЧЕСКИЕ СООБЩЕСТВА ВСТУПЛЕНИЕ В современных условиях возросшего антропогенного воздействия идет интенсивная трансформация и изменение не только абиотических составляющих биосферы гидросферы, атмосферы, верхней части литосферы, но и живого вещества, т. е. биотических сообществ (растительного и животного мира). Нормальное состояние и функционирование биосферы, а следовательно, и стабильность окружающей природной среды невозможны без обеспечения благоприятной среды обитания для всех биотических сообществ во всем их многообразии. Гибель лесов, растительности и животного мира это разрушение естественной среды обитания человека с непредсказуемыми последствиями. Утрата же биоразнообразия ставит под угрозу не только благополучие человека, но и само его существование. Скорость уменьшения биоразнообразия, как у нас в стране, так и во всем мире за последние 3040 лет, резко увеличилась. Снижение биоразнообразия отмечается на всех уровнях генетическом, видовом и экосистемном, что уже приводит к необратимым изменениям природной среды. Происходит самое значительное за последние 65 млн лет исчезновение видов растений и животных со скоростью, в пять тысяч раз превышающей естественный ход эволюции на Земле. 16.1. ЗНАЧЕНИЕ ЛЕСА В ПРИРОДЕ И ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА Среди биотических сообществ главенствующее значение в природе и в жизни человека имеют леса. Россия богата лесом. Общая лесопокрытая площадь в стране составляет 1,2 млрд га, или 75% от площади земельных угодий. Ни одна страна в мире не имеет больших запасов древесины. Размещение лесов в России неравномерно, значительная их часть находится в Западной и Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Здесь сосредоточены основные площади сосны обыкновенной, ели, лиственницы, пихты, кедра сибирского, осины. Основные лесные богатства находятся в Восточной Сибири (45% лесов всей страны) и простираются от Енисея почти до Охотского моря. Этот богатейший лесной край представлен такими ценными древесными породами, как лиственница сибирская и даурская, сосна обыкновенная, кедр сибирский и др. Леса важная составная часть окружающей природной среды. Как экологическая система лес выполняет различные функции и одновременно является незаменимым природным ресурсом (рис. 16.1). Многочисленные исследования как у нас в стране, так и зарубежом подтвердили исключительное значение лесов в сохранении экологического равновесия в природной среде. По мнению ученых значение средозащитной функции леса, т. е. сохранность генофонда флоры и фауны, на порядок выше их экономического значения как источника сырья и продуктов. 207 Рис. 16.1. Значение леса в природе и жизни человека Влияние лесов на окружающую среду исключительно многообразно. Оно проявляется, в частности, в том, что леса: непосредственно влияют на водный режим как на занятых ими, так и на прилегающих территориях и регулируют баланс воды; смягчают отрицательное воздействие засух и суховеев, сдерживают движение подвижных песков; смягчая климат, способствуют повышению урожаев сельскохозяйственных культур; поглощают и преобразовывают часть атмосферных химических загрязнений; защищают почвы от водной и ветровой эрозии, селей, оползней, разрушения берегов и других неблагоприятных геологических процессов; создают нормальные санитарно-гигиенические условия, благотворно влияют на психику человека, имеют огромное рекреационное значение. Вместе с тем леса являются источником получения древесины и многих других видов ценного сырья. Из древесины производят более 30 тыс. изделий и продуктов, и потребление ее не уменьшается, а наоборот, увеличивается. По расчетам специалистов, только в странах Западной Европы дефицит древесины к 2005 г. составит 220 млн м3. Подчеркнем еще раз, что значение леса беспредельно. Великий русский писатель Л. М. Леонов назвал его Другом с большой буквы. Леса важное и наиболее эффективное средство поддержания естественного состояния биосферы и незаменимый фактор культурного и социального значения. Позитивная экологическая роль леса отражена в девизе Международного конгресса лесоводов (Индия): «Лес это вода, вода урожай, урожай жизнь». По своему значению, местоположению и выполняемым функциям все леса подразделяются на три группы: 208 первая группа леса, выполняющие защитные экологические функции (водоохранные, полезащитные, санитарно-гигиенические, рекреационные). Эти леса строго охраняются, особенно лесопарки, городские леса, особо ценные лесные массивы, национальные природные парки. В лесах этой группы допускаются только рубки ухода за лесом и санитарные рубки деревьев; вторая группа леса, имеющие защитное и ограниченное эксплуатационное значение. Распространены они в районах с высокой плотностью населения и развитой сетью транспортных путей. Сырьевые ресурсы лесов этой группы недостаточны, поэтому, чтобы сохранить их защитные и эксплуатационные функции, требуется строгий режим лесопользования; третья группа эксплуатационные леса. Распространены они в многолесных районах и являются основным поставщиком древесины. Заготовка древесины должна осуществляться без изменения естественных биотопов и нарушения естественного экологического равновесия. Принадлежность леса к той или иной группе определяет режим лесопользования, который должен вестись на строго научной основе с соблюдением основных принципов максимального сбережения природных экосистем и рационального использования лесных ресурсов. 16.2. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЛЕСА И ДРУГИЕ РАСТИТЕЛЬНЫЕ СООБЩЕСТВА Для характеристики нынешнего состояния растительного покрова и в первую очередь лесных экосистем все чаще используется термин деградация. Леса раньше других компонентов природной среды испытали отрицательное влияние деятельности человека. Деградация лесов служит одним из проявлений глобальных изменений, происходящих на Земле, которые начались с появлением земледелия и скотоводства. Воздействие человека на леса и вообще на весь растительный мир может быть прямым и косвенным. К прямому воздействию относятся: 1) вырубка лесов; 2) лесные пожары и выжигание растительности; 3) уничтожение лесов и растительности при создании хозяйственной инфраструктуры (затопление при создании водохранилищ, уничтожение вблизи карьеров, промышленных комплексов); 4) усиливающийся пресс туризма. Косвенное воздействие это изменение условий обитания в результате антропогенного загрязнения воздуха, воды, применения пестицидов и минеральных удобрений. Определенное значение имеет также проникновение в растительные сообщества чуждых видов растений (интродуцентов). В отчете ЮНЕП «О состоянии окружающей среды к 2000 году» подчеркивалось, что «сведение лесов вероятно, наиболее серьезная экологическая проблема, стоящая перед человечеством…» Сведение (гибель) лесов в списке злодеяний человека против окружающей природной среды, по Э. Гору (1993), стоит на первом месте. За несколько столетий была уничтожена значительная часть всех лесных массивов на планете. На современном этапе развития производительных сил лесные экосистемы становятся еще более уязвимыми, утрачивают свои защитные функции, их потенциальные средоустойчивые возможности значительно ослабевают. Острейшей экологической проблемой в современной России является сбережение и приумножение лесных богатств в новых экономических и общественных условиях. В ХVII в. на Русской равнине площадь лесов достигала 5 млн км2, к 2000 г. их оставалось не более 1,2 млн км2. В наши дни лес в России вырубают примерно на 2 млн га ежегодно. В то же время масштабы лесовосстановления с помощью посадок и посевов леса постоянно сокращаются. Для естественного 209 восстановления леса после сплошной рубки требуются многие десятки лет, а для достижения климаксной фазы, т. е. высокой степени замыкания круговорота биогенов, и того больше первые сотни лет (Данилов-Данильян и др., 1994). Аналогичное состояние, связанное с вырубкой леса, наблюдается и в других странах мира. По данным ФАО (сельскохозяйственная программа ООН), обезлесение только на засушливых землях происходит на 4 млн га в год, из которых 2,7 млн га приходится на Африку. Лес рубят в основном на дрова, поскольку спрос на топливную древесину постоянно растет. Достаточно отметить, что 82% всей энергии, используемой в восьми странах Сахели (Африка), дает древесина. В еще более опасном положени находятся вечнозеленые влажные (дождевые) тропические леса древние климаксные экосистемы. Это бесценное хранилище генетического многообразия исчезает с лица Земли примерно со скоростью 17 млн га в год. Ученые полагают, что при таких темпах влажные тропические леса, особенно в низменных равнинах, полностью исчезнут через несколько десятков лет. По данным на 1992 г., в Восточной и Западной Африке уничтожено 56% лесов, а в отдельных районах до 70%, в Южной Америке (главным образом в бассейне р. Амазонки) 37%, в Юго-Восточной Азии 44% от первоначальных площадей. Их выжигают ради расчистки земли под пастбища, интенсивно вырубают как источник древесного топлива, выкорчевывают при неправильном ведении системы земледелия, затапливают при строительстве гидроэлектростанций и т. д. Пагубное влияние на лесные экосистемы оказывают лесные пожары. Возникают они в подавляющем большинстве случаев по вине людей, как следствие неосторожного обращения с огнем. В зонах тропических лесов пожары образуются в результате сознательного выжигания лесных массивов для пастбищ и других сельскохозяйственных целей. Сознательно выжигают леса и в ходе военных действий, например, во время войны во Вьетнаме, Лаосе, Кампучии (19611975 гг.). Ранее в России лесные пожары возникали в каждый засушливый год. Огромные массивы леса (около 15 млн га) горели, например, в Восточной Сибири в 1915 г. В дальнейшем в связи с развитием новых технических средств тушения пожаров и совершенствованием методов их обнаружения, площади лесных пожаров сократились. Однако и на сегодня лесные пожары представляют серьезную угрозу для лесного фонда не только России, но и всех стран мира. По данным Н. Ф. Реймерса (1990), крупнейшие лесные пожары в последние годы зарегистрированы в 1972 г. (Европейская часть России) и в 1979, 1987 гг. (Восточная Сибирь). Значительные лесные пожары наблюдались в 90-е гг. в Якутии и Магаданской области, в центральной и северо-западной части Европейской России. Только в 1997 г. зарегистрировано более 31 тыс. пожаров, охвативших более 726 тыс. га лесной площади. В главе 13 уже рассматривалось весьма негативное влияние атмосферных загрязнений, и в первую очередь диоксида серы на состояние лесных экосистем. В последние десятилетия значительным фактором деградации лесов становится радиоактивное загрязнение. По подсчетам ученых, общая площадь пораженных лесов в результате аварии на Чернобыльской АЭС, в Челябинской области и в зоне влияния ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне составила более 3,5 млн га. Помимо лесов возросшее негативное воздействие человеческой деятельности проявляется и в отношении остального растительного ценоза (сосудистые растения, грибы, водоросли, лишайники, мохообразные и др.) Наиболее часто отрицательное воздействие человека на растительные сообщества проявляется при выкашивании, сборе лекарственных растений и ягод, стравлении скоту и других видах непосредственного использования. Множество различных видов растений гибнет при воздействии загрязняющих веществ, а также в процессе мелиоративной, строительной и сельскохозяйственной деятельности. 16.3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЧЕЛОВЕКА НА РАСТИТЕЛЬНЫЙ МИР Потребительское, а нередко и хищническое отношение человека к растительным сообществам 210 проявилось еще на начальном этапе развития земледелия и скотоводства. В последующем, особенно с началом бурного развития промышленности, такой подход не только не был отвергнут, но, повидимому, еще больше закрепился в сознании людей. Одним из первых, кто обратил внимание общественности на пагубные экологические последствия такого подхода, был Ф. Энгельс. В работе «Диалектика природы», оценивая последствия вырубки лесов он писал: «Людям, которые в Месопотамии, Греции, Малой Азии и в других местах выкорчевывали леса, чтобы получить таким путем пахотную землю, и не снилось, что они положили начало нынешнему запустению этих стран, лишив их, вместе с лесами, центров скопления и сохранения влаги», далее «… какое им было дело до того, что тропические ливни потом смывали беззащитный отныне верхний слой почвы, оставляя после себя лишь обнаженные скалы!» Конечно, как справедливо отмечал В. Д. Бондаренко (1985), нельзя видеть в сокращении лесов в историческом прошлом один только негативный фактор, не учитывая объективный характер и необходимость этого процесса. Замена лесных площадей на пашни и луга в определенной степени решала продовольственную проблему, а древесный уголь был крайне необходим в начальный период развития металлургии. Суть проблемы однако заключалась в том, что во многих странах леса уничтожались настолько быстро, что лесопосадки не успевали за темпами вырубки деревьев. Масштабное антропогенное воздействие на биотические сообщества приводит к тяжелым экологическим последствиям как на экосистемно-биосферном, так и на популяционно-видовом уровне. На обезлесенных территориях возникают глубокие овраги, разрушительные оползни и сели, уничтожается фотосинтезирующая фитомасса, выполняющая важные экологические функции, ухудшается газовый состав атмосферы, меняется гидрологический режим водных объектов, исчезают многие растительные и животные виды и т. д. Сведение крупных лесных массивов, особенно дождевых тропических этих своеобразных испарителей влаги, по мнению многих исследователей, неблагоприятно отражается не только на региональном, но и на биосферном уровне. Уничтожение древесно-кустарниковой растительности и травянистого покрова на пастбищах в засушливых регионах ведет к опустыниванию. Еще одно негативное экологическое последствие сведения лесов изменение альбедо земной поверхности. Альбедо (лат. albedo белизна) это величина, характеризующая способность поверхности отражать падающие на нее лучи. Интегральное альбедо крон деревьев составляет 1015%, травы 2025%, свежевыпавшего снега до 90%. Альбедо земной поверхности один из важных факторов, определяющих климат как в целом на планете, так и отдельных его регионов. Установлено, что серьезные изменения климата на планете могут быть вызваны изменением альбедо поверхности Земли всего лишь на несколько процентов. С помощью космических снимков обнаружено крупномасштабное изменение альбедо (так же как и теплового баланса) поверхности Земли, прежде всего вследствие уничтожения лесной растительности и развития антропогенного опустынивания (Григорьев, 1985). Значительный вред состоянию естественных лесных экосистем приносят упомянутые выше лесные пожары, надолго, если не навсегда, замедляя процесс восстановления леса на сгоревших площадях. Лесные пожары ухудшают состав леса, уменьшают прирост деревьев, нарушают связи корней с почвой, усиливают буреломы, уничтожают кормовую базу диких животных, гнездовья птиц. В сильном пламени почва сжигается до такой степени, что в ней полностью нарушается влагообмен и способность к удержанию питательных веществ. Выжженная до тла территория нередко быстро заселяется различными насекомыми, что не всегда безопасно для людей из-за возможных вспышек инфекционных заболеваний. Кроме описанных выше прямых воздействий человека на биотические сообщества важное значение имеют и косвенные, например, загрязнение их промышленными выбросами. Различные токсиканты и, в первую очередь диоксид серы, оксиды азота и углерода, озон, тяжелые металлы, негативно влияют на хвойные и широколиственные деревья, кустарники, полевые культуры и травы, мхи и лишайники, фруктовые и овощные культуры и цветы. В газообразном виде или в виде кислотных осадков они отрицательно действуют на важные ассимиляционные функции 211 растений, органы дыхания животных, резко нарушают метаболизм и приводят к различным заболеваниям. Так, например, под действием озона (O3) в растениях снижается не только активность транспортной системы, но и содержание хлорофила. Прослеживается высокая корреляция между повреждением листьев и количеством адсорбированного диоксида серы (SO2). Высокие дозы SO2 или продолжительные воздействия его низких концентраций приводят к сильному ингибированию процессов фотосинтеза и снижению дыхания. Можно отметить, что в целом эти и другие, указанные выше токсиканты существенно нарушают различные биохимические и физиологические процессы и структурную организацию клеток растений. Существует индивидуальная реакция отдельных видов растений на увеличение уровня атмосферного загрязнения. Все виды растений по степени их сопротивляемости воздействию загрязнения воздуха подразделяют на устойчивые, промежуточные и чувствительные. Приведенные в табл. 16.1 данные (Загрязнение воздуха…, 1988) следует рассматривать лишь как весьма приближенную оценку относительной чувствительности растений к воздействию загрязнения воздуха диоксидом серы (SO2), оксидами азота (NОx) и озоном (O3). Таблица 16.1 Относительная чувствительность растений к воздействию загрязнения воздуха Примечание: У устойчивые, Ч чувствительные, П промежуточной чувствительности. Крайне отрицательно на развитие растений сказываются автомобильные выхлопные газы, содержащие 60% всех вредных веществ в городском воздухе, и среди них такие токсичные, как оксиды углерода, альдегиды, неразложившиеся углеводороды топлива, соединения свинца. Например, под их воздействием у дуба, липы, вяза уменьшается размер хлоропластов, сокращается число и размер листьев, сокращается продолжительность их жизни, уменьшается размер и плотность устьиц, общее содержание хлорофила уменьшается в полтора два раза (Яблоков, Остроумов, 1985). 212 На популяционно-видовом уровне негативное воздействие человека на биотические сообщества проявляется в утрате биологического разнообразия, в сокращении численности и исчезновении отдельных видов. По свидетельству ботаников, обеднение флоры наблюдается во всех растительных зонах и на всех, кроме Антарктиды, материках. Причем наиболее уязвимой оказывается флора островов. Разрушение естественных природных сообществ уже вызвало исчезновение ряда растений. В недалеком будущем множество видов растений, которые сегодня сокращаются в численности, также окажутся под угрозой исчезновения. В общей сложности во всем мире нуждаются в охране 2530 тыс. видов растений, или 10% мировой флоры. Доля вымерших видов во всех странах составляет более 0,5% общего числа видов флоры мира, а в таких регионах, как Гавайские острова, более 11% (табл. 16.2, Малышев, 1981). Таблица 16.2 Исчезновение видов высших растений под воздействием человека за последние 200 лет В настоящее время в России более тысячи видов находятся на грани исчезновения и нуждаются в срочной охране. Из флоры России навсегда исчезли незабудочник Чекановского, волчеягодник баксанский, строгановия стрелолистная и многие другие виды растений. Сокращение числа видов сосудистых растений, а в ряде случаев и их исчезновение ведет к изменению видового состава экосистем. По утверждению специалистов, это приводит к разрыву эволюционно сложившихся пищевых сетей и к дестабилизации экологической системы, что проявляется в ее разрушении и обеднении. Сокращение площадей, покрытых зеленой растительностью, или ее разрежевание крайне нежелательны по двум причинам: во-первых, нарушается глобальный круговорот углерода в биосфере и, во-вторых, снижается интенсивность поглощения солнечной энергии биосферой в процессе фотосинтеза. 16.4. ЗНАЧЕНИЕ ЖИВОТНОГО МИРА В БИОСФЕРЕ Животный мир это совокупность всех видов и особей диких животных (млекопитающих, птиц, пресмыкающихся, земноводных, рыб, а также насекомых, моллюсков и других беспозвоночных), населяющих определенную территорию или среду и находящихся в состоянии естественной свободы. 213 Согласно Федеральному закону «О животном мире» (1995 г.) основные понятия, связанные с охраной и использованием животного мира, формулируются следующим образом: объект животного мира организм животного происхождения или их популяция; биологическое разнообразие животного мира разнообразие объектов животного мира в рамках одного вида, между видами и в экосистемах; устойчивое состояние животного мира существование объектов животного мира в течение неопределенно длительного времени; устойчивое использование объектов животного мира использование объектов животного мира, которое не приводит в долгосрочной перспективе к истощению биологического разнообразия животного мира и при котором сохраняется способность животного мира к воспроизводству и устойчивому существованию. Животный мир является неотъемлемым элементом окружающей природной среды и биологического разнообразия Земли, возобновляющимся природным ресурсом, важным регулирующим и стабилизирующим компонентом биосферы (рис. 16.2). Главнейшая экологическая функция животных участие в биотическом круговороте веществ и энергии. Устойчивость экосистемы обеспечивается в первую очередь животными как наиболее мобильным элементом. Хотя биомасса животных на три порядка меньше биомассы растений (соответственно, 2 млрд т и 1841 млрд т), зато количество видов животных на Земле (около 1,5 млн видов) в 3 раза превышает число видов растений. Рис. 16.2. Значение животного мира в природе и жизни человека Необходимо сознавать, что животный мир не только важный компонент естественной экологической системы и одновременно ценнейший биологический ресурс. Очень важно и то, что все виды животных образуют генетический фонд планеты, занимая только им присущие экологические ниши. В природе нет пасынков, как нет и абсолютно полезных и абсолютно вредных животных. Все зависит от их численности, условий существования и от ряда других факторов. Лишь одна разновидность из 100 тыс. видов различных мух комнатная муха, является переносчиком ряда заразных болезней. В то же время мухи кормят огромное количество животных (мелкие птицы, жабы, 214 пауки, ящерицы и др). Лишь некоторые виды (клещи, грызуны-вредители и др.) подлежат строгому контролю. Огромную роль в формировании структуры почв и их плодородия играют муравьи (рис. 16.3), черви, термиты, землерои и другие животные. Велика роль птиц в защите растений от насекомыхвредителей. Благотворное влияние на состояние водных экосистем оказывают организмы животного происхождения, обитающие в водоемах. Рис. 16.3. Экосистема муравейника в лесу 16.5. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЧЕЛОВЕКА НА ЖИВОТНЫХ И ПРИЧИНЫ ИХ ВЫМИРАНИЯ Несмотря на огромную ценность животного мира, овладев огнем и оружием, человек еще в ранние периоды своей истории начал истреблять животных, а сейчас, вооружившись современной техникой, развил на них и на всю естественную биоту «стремительное наступление». Конечно, на Земле и в прошлом, в любые времена, по самым разным причинам происходила постоянная смена ее обитателей. Однако сейчас темпы исчезновения видов резко возросли, а в орбиту исчезающих видов вовлекаются все новые и новые виды, которые до этого были вполне жизнеспособны. Видные российские ученые-экологи А. В. Яблоков и С. А. Остроумов (1983) подчеркивают, что в последнее столетие темпы спонтанного возникновения видов в десятки (если не в сотни) раз ниже, чем темпы вымирания видов. Мы являемся свидетелями упрощения как отдельных экосистем, так и биосферы в целом. Пока нет ответа на главный вопрос: каков возможный предел этого упрощения, за которым неизбежно должно последовать разрушение «систем жизнеобеспечения» биосферы. Главные причины утраты биологического разнообразия, сокращения численности и вымирания животных следующие: нарушение среды обитания; чрезмерное добывание, промысел в запрещенных зонах; интродукция (акклиматизация) чуждых видов; прямое уничтожение с целью защиты продукции; случайное (непреднамеренное) уничтожение; загрязнение среды. Нарушение среды обитания, вследствие вырубки лесов, распашки степей и залежных земель, 215 осушения болот, зарегулирования стока, создания водохранилищ и других антропогенных воздействий, коренным образом меняет условия размножения диких животных, пути их миграции, что весьма негативно отражается на их численности и выживании. Например, в 6070-е гг. ценой больших усилий была восстановлена калмыцкая популяция сайгака. Ее численность превысила 700 тыс. голов. В настоящее время сайгака в калмыцких степях стало значительно меньше, а его репродуктивный потенциал потерян. Причины различные: интенсивный перевыпас домашнего скота, чрезмерное увлечение проволочными изгородями, развитие сети ирригационных каналов, перерезавших естественные пути миграции животных, в результате чего сайгаки тысячами тонули в каналах на пути их передвижения. Нечто подобное происходило в районе г. Норильска в 90-е гг. Прокладка газопровода без учета миграции оленей в тундре привела к тому, что животные стали сбиваться перед трубой в огромные стада, и ничто не могло их заставить свернуть с векового пути. В результате погибли многие тысячи животных. Один из характерных признаков нарушения среды обитания распадение прежде сплошного ареала распространения вида на отдельные островки. По Ю. Г. Маркову (2001), наиболее подвержены опасности вымирания хищники высшего трофического уровня, виды крупных животных, а также виды, узкоприспобленные к определенному местообитанию. Под чрезмерным добыванием имеется в виду как прямое преследование и нарушение структуры популяции (охота), так и любое другое изъятие животных и растений из природной среды для различных целей. В Российской Федерации отмечено снижение численности ряда охотничьих видов животных, что связано, в первую очередь, с нынешней социально-экономической ситуацией в стране и возросшей их незаконной добычей. Чрезмерная добыча служит главной причиной сокращения численности крупных млекопитающих (слонов, носорогов и др.) в странах Африки и Азии. Высокая стоимость слоновой кости на мировом рынке приводит к ежегодной гибели около 60 тыс. слонов в этих странах. Однако и мелкие животные уничтожаются в невообразимых масштабах. По расчетам А. В. Яблокова и С. А. Остроумова, на птичьих рынках больших городов Европейской части России ежегодно продаются не менее нескольких сотен тысяч мелких певчих птиц. Объем международной торговли дикими птицами превышает семь миллионов экземпляров, большая часть которых погибают либо в дороге, либо вскоре после прибытия. Негативные воздействия такого фактора снижения численности, как чрезмерное добывание, проявляются и по отношению к другим представителям животного мира. Например, запасы восточнобалтийской трески в настоящее время находятся на таком низком уровне, которого не отмечалось за всю историю изучения этого вида на Балтике. К 1993 г. общие уловы трески снизились по сравнению с 1984 г. в 16 раз, несмотря на возрастающие промысловые усилия (Государственный доклад…, 1995). Запасы осетровых в Каспийском море подорваны настолько, что через один два года придется вводить запрет на их промысловый лов. Основной причиной этого является браконьерство, которое повсеместно приняло масштабы, сопоставимые с промыслом. Ожидается продолжение запрета на промысел мойвы в Баренцевом море, так как нет надежд на восстановление численности популяции, подорванной хищническим потреблением. С 1994 г. запрещен промысел в Дону азово-кубанской сельди, в связи с низкой численностью популяции по этой же причине. Третьей по важности причиной сокращения численности и исчезновения видов животных является интродукция (акклиматизация) чуждых видов. Многочисленны случаи вымирания аборигенных (коренных) видов или их угнетения из-за влияния на них завезенных видов животных или растений. Широко известны в нашей стран примеры негативного влияния американской норки на местный вид европейскую норку, канадского бобра на европейского, ондатры на выхухоль и т. д. Многие ученые считают, что лишь в обедненные антропогенные экосистемы возможно введение новых видов для сбалансирования экологической системы. 216 Так, например, по мнению А. Г. Банникова, вполне допустима интродукция растительноядных рыб толстолобика, белого амура в искусственные каналы, где они будут препятствовать их зарастанию. В целом же опыт работы производственно-акклиматизационных станций Главрыбвода и некоторых других организаций позволяет более оптимистично смотреть на перспективы акклиматизации рыб и водных беспозвоночных, разумеется, при достаточном экологическом обосновании. По данным Государственного доклада…, 1995, ряд акклиматизационных работ российских ученых получили высокую оценку на мировом уровне. Это, например, беспрецедентная в истории акклиматизации трансокеаническая пересадка камчатского краба в Баренцево море, где в настоящее время сформировалась его самовоспроизводящая популяция. Также успешно прошла акклиматизация пиленгаса в Азовском море и горбуши на Европейском Севере. Другие причины снижения численности и исчезновения животных прямое их уничтожение для защиты сельскохозяйственной продукции и промысловых объектов (гибель хищных птиц, сусликов, ластоногих, койотов и др.); случайное (непреднамеренное) уничтожение (на автомобильных дорогах, в ходе военных действий, при кошении трав, на линиях электропередач, при зарегулировании водного стока и т. д.); загрязнение среды (пестицидами, нефтью и нефтепродуктами, атмосферными загрязнителями, свинцом и другими токсикантами). Приведем только два примера, связанных с сокращением видов животных из-за непреднамеренного воздействия человека. В результате строительства гидротехнических плотин в русле реки Волга полностью ликвидированы нерестилища лососевых рыб (белорыбицы) и проходной сельди, а площади осетровых рыб сократились до 400 га, что составляет 12% от прежнего нерестового фонда в Волго-Ахтубинской пойме. В центральных областях России при ручном сенокошении гибнет 1215% полевой дичи, при использовании конных косилок 2530%, при механизированной уборке сена 3040%. На полях Украины от сельскохозяйственной техники гибнет до 6070% всего поголовья зайчат, много выводков птиц. В целом гибель дичи на полях при сельхозработах в семь десять раз превышает объем ее добычи охотниками. Многочисленные наблюдения свидетельствуют о том, что в природе, как правило, действуют одновременно несколько факторов, вызывающих гибель особей, популяций и видов в целом. При взаимодействии они могут приводить к серьезным негативным результатам даже при малой степени выраженности каждого из них. Контрольные вопросы 1. Каковы причины резкого снижения биоразнообразия в природе в настоящее время? 2. Охарактеризуйте функции леса в биосфере. 3. Почему гибель лесов является одной из наиболее серьезных экологических проблем? 4. К каким экологическим последствиям приводит антропогенное воздействие на биотические сообщества? 5. Какова главнейшая экологическая функция животного мира? 6. Назовите основные причины вымирания животных, сокращения их численности и утраты ими биологического разнообразия в настоящее время. 217 ГЛАВА 17. ОСОБЫЕ ВИДЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОСФЕРУ ВСТУПЛЕНИЕ К числу особых видов антропогенного воздействия на биосферу относятся: 1) загрязнение cреды опасными отходами; 2) шумовое воздействие; 3) биологическое загрязнение; 4) воздействие электромагнитных полей и излучений; 5) загрязнение от ракетно-космической деятельности и некоторые другие виды воздействия. 17.1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ СРЕДЫ ОТХОДАМИ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ Одной из наиболее острых экологических проблем в настоящее время является загрязнение окружающей природной среды отходами производства и потребления и в первую очередь опасными отходами. Сконцентрированные в отвалах, хвостохранилищах, терриконах, несанкционированных свалках отходы являются источником загрязнения атмосферного воздуха, подземных и поверхностных вод, почв и растительности. Все отходы подразделяют на бытовые и промышленные. Они могут находиться как в твердом, так и жидком и реже в газоообразном состоянии. Твердые бытовые отходы (ТБО) совокупность твердых веществ (пластмасса, бумага, стекло, кожа и др.) и пищевых отбросов, образующихся в бытовых условиях (рис. 17.1, по В. И. Сметанину, 2000). Жидкие бытовые отходы представлены в основном сточными водами хозяйственно-бытового назначения. Газообразные выбросами различных газов. Промышленные (производственные) отходы (ОП) это остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшихся при производстве продукции или выполнении работ и утратившие полностью или частично исходные потребительские свойства. Они бывают твердыми (отходы металлов, пластмасс, древесина и т. д.), жидкими (производственные сточные воды, отработанные органические растворители и т. д.) и газообразными (выбросы промышленных печей, автотранспорта и т. д.). Промышленные отходы, так же как и бытовые, из-за недостатка полигонов захоронения в основном вывозятся на несанкционированные свалки. Обезвреживается и утилизируется только одна пятая часть. Рис. 17.1. Примерный состав твердых бытовых отходов Наибольшее количество промышленных отходов образует угольная промышленность, предприятия черной и цветной металлургии, тепловые электростанции, промышленность 218 стороительных материалов. Экологические кризисные ситуации, периодически возникающие в различных точках планеты, во многих случаях обусловлены негативным воздействием так называемых опасных отходов. Под опасными отходами понимают отходы, содержащие в своем составе вещества, которые обладают одним из опасных свойств (токсичность, взрывчатость, инфекционность, пожароопасность и т. д.) и присутствуют в количестве, опасном для здоровья людей и окружающей природной среды. Опасные отходы стали проблемой века и для борьбы с ними предпринимаются огромные усилия во всем мире. В России к опасным отходам относят около 10% от всей массы твердых отходов. Среди них металлические и гальванические шламы, отходы стекловолокна, асбестовые отходы и пыль, остатки от переработки кислых смол, дегтя и гудронов, отработанные радиотехнические изделия и т. д. Класс токсичности отходов определяют согласно Классификатору токсичных промышленных отходов (1987). Наибольшую угрозу для человека и всей биоты представляют опасные отходы, содержащие химические вещества I и II класса токсичности. В первую очередь это отходы, в составе которых присутствуют радиоактивные изотопы, диоксины, пестициды, бенз(а)пирен и некоторые другие вещества. Радиоактивные отходы (РАО) твердые, жидкие или газообразные продукты ядерной энергетики, военных производств, других отраслей промышленности и систем здравоохранения, содержащие радиоактивные изотопы в концентрации, превышающей утвержденные нормы. Радиоактивные элементы, например, стронций-90, передвигаясь по пищевым (трофическим) цепям, вызывают стойкие нарушения жизненных функций, вплоть до гибели клеток и всего организма. Некоторые из радионуклидов могут сохранять смертоносную токсичность в течение 10100 млн лет. По удельной активности их подразделяют на низкоактивные (менее 0,1 Кu/м3), среднеактивные (0,1100 Ku/м3) и высокоактивные (свыше 1000 Ku/м3). Во многих странах, особенно в тех из них, на территориях которых имеются атомные электростанции (АЭС) и заводы по переработке ядерного топлива, в настоящее время накопились огромные количества РАО. Только на территории России суммарная активность незахороненных отходов составляет 1,5 млрд Ku, что равняется тридцати Чернобылям. В Великобритании в 90-е гг. отходы атомной промышленности составляли: высокой активности 5 тыс. м3, средней активности 80 тыс. м3, низкой активности 500 тыс. м3 (Вронский, 1996). Подавляющее большинство радиоактивных отходов, хранящихся на АЭС, это низко- и среднеактивные отходы. Жидкие РАО в виде концентрата хранятся в специальных емкостях, твердые в спецхранилищах. В нашей стране, по данным на 1995 г., уровень заполнения емкостей и складов для РАО на АЭС составил более 60% и при нынешних темпах заполнения все емкости будут заполнены уже в ближайшие годы. На ряде предприятий Минатома (ПО «Маяк», «Сибирский химический комбинат» и др.) жидкие низко- и среднеактивные РАО хранятся в открытых водоемах, что может привести к радиоактивному заражению обширных территорий в случае внезапных стихийных бедствий (землетрясений, наводнений и др.), а также проникновения радиоактивных веществ в подземные воды. Огромное количество небольших захоронений радиоактивных отходов (иногда забытых) рассеяно по всему миру. Так, только в США их выявлено несколько десятков тысяч, из которых многие являются активными источниками радиоактивного излучения. Очевидно, что проблема радиоактивных отходов со временем будет еще более острой и актуальной. По прогнозам МАГАТЭ, к 2005 г. из-за превышения срока работы (более 30 лет) будут демонтированы (ликвидированы) 65 ядерных реакторов АЭС и 260 других ядерных устройств. При их демонтаже потребуется обезвредить огромное количество низкоактивных отходов и обеспечить захоронение более 100 тыс. т высокоактивных (Природа и ресурсы, 1990). Актуальны и проблемы, связанные со списанием кораблей ВМФ с ядерными силовыми установками. Накопление радиоактивных отходов на российских флотах неуклонно повышается, особенно после запрещения в 219 1993 г. сброса РАО в море. Помимо жидких и твердых радиоактивных отходов на АЭС и объектах Минатома возможны и газообразные выбросы, содержащие радиоактивные аэрозоли, летучие соединения радиоактивных изотопов или сами радиоактивные изотопы. Диоксинсодержащие отходы обрауются при сжигании промышленного и городского мусора, бензина со свинцовыми присадками и как побочные продукты в химической, целлюлозно-бумажной и электротехнической промышленности. Установлено, что диоксины образуются также при обезвреживании воды хлорированием, в местах хлорного производства, в особенности при производстве пестицидов. Диоксины синтетические органические вещества из класса хлоруглеводородов. Диоксины 2, 3, 7, 8, ТХДД и диоксиноподобные соединения (более 200) самые токсичные из полученных человеком веществ. Они обладают мутагенным, канцерогенным, эмбриотоксическим действием; подавляют иммунную систему («диоксиновый СПИД») и в случае получения человеком через продукты питания или в виде аэрозолей достаточно высоких доз вызывают «синдром изнурения» постепенное истощение и смерть без явно выраженных патологических симптомов. Биологическое действие диоксинов проявляется уже в исключительно низких дозах. Впервые в мире диоксиновая проблема возникла в США в 3040-е гг. В России производство этих веществ началось под г. Куйбышевым и в г. Уфе в 70-е гг., где выпускался гербицид и диоксиносодержащие консерванты древесины. Первое крупномасштабное диоксиновое загрязнение окружающей среды зарегистрировано в 1991 г. в районе Уфы. Содержание диоксинов в водах р. Уфы более чем в 50 тыс. раз превысило их предельно допустимые концентрации (Голубчиков, 1994). Причина загрязнения воды поступление фильтрата Уфимской городской свалки промышленных и бытовых отходов, где, по оценочным данным, было законсервировано более 40 кг диоксинов. Как следствие, содержание диоксинов в крови, жировой ткани и грудном молоке многих жителей Уфы и Стерлитамака увеличилось в четыре десять раз по сравнению с допустимым уровнем. Серьезную экологическую опасность для человека и биоты представляют также отходы, содержащие пестициды, бенз(а)пирен и другие токсиканты. Кроме того, следует учитывать, что за последние десятилетия человек, качественно изменив химическую обстановку на планете, включил в круговорот совершенно новые, весьма токсичные вещества, экологические последствия от использования которых еще не изучены. Существенное значение имеет и потенциальная опасность перемещения в Россию опасных промышленных отходов из стран Западной Европы, США, Японии и других стран. Многочисленные попытки реализовать такую опасность и тем самым «затопить» Россию опасными отходами предпринимаются вплоть до настоящего времени. Хотя постановлением Правительства РФ от 1 июля 1995 г. и был запрещен импорт в нашу страну опасных отходов с целью захоронения или обезвреживания, что позволило предотвратить экологическую угрозу, тем не менее, проблема опасных отходов в России, по В. И. Данилову-Данильяну и др. (1994), «является повидимому, самой запущенной по всем позициям: средствам наблюдения и контроля, законодательству, системам очистки и безопасности, угрозе здоровью населения». Это подтверждается острой дискуссией, которая велась в нашей стране после принятия в 2001 г. Государственной Думой пакета законов, разрешающих ввоз в Россию отработанного ядерного топлива (ОЯТ) с зарубежных АЭС для его переработки и технологического хранения при определенных условиях. 17.2. ШУМОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ Шумовое воздействие одна из форм вредного физического воздействия на окружающую природную среду. Загрязнение среды шумом возникает в результате недопустимого превышения естественного уровня звуковых колебаний. С экологической точки зрения в современных условиях шум становится не просто неприятным для слуха, но и приводит к серьезным физиологическим 220 последствиям для человека. В урбанизированных зонах развитых стран мира от действия шума страдают десятки миллионов людей. В зависимости от слухового восприятия человека упругие колебания в диапазоне частот от 16 до 20 000 Гц называют звуком, менее 16 Гц инфразвуком, от 20 000 до 1 109 ультразвуком и свыше 1 109 гиперзвуком. Человек способен воспринять звуковые частоты лишь в диапазоне 1620 000 Гц. Единица измерения громкости звука, равная 0,1 логарифма отношения данной силы звука к пороговой (воспринимаемой ухом человека) его интенсивности называется децибелом (дБ). Диапазон слышимых звуков для человка составляет от 0 до 170 дБ (рис. 17.2, по Н. Ф. Реймерсу, 1992). 221 Рис. 17.2. Шкала силы звука, дБ Естественные природные звуки на экологическом благополучии человека, как правило, не отражаются. Звуковой дискомфорт создают антропогенные источники шума, которые повышают утомляемость человека, снижают его умственные возможности, значительно понижают производительность труда, вызывают нервные перегрузки, шумовые стрессы и т. д. Высокие уровни шума (60 дБ) вызывают многочисленные жалобы, при 90 дБ органы слуха начинают деградировать, 110120 дБ считается болевым порогом, а уровень антропогенного шума 222 свыше 130 дБ разрушительный для органа слуха предел. Замечено, что при силе шума в 180 дБ в металле появляются трещины. Основные источники антропогенного шума транспорт (автомобильный, рельсовый и воздушный) и промышленные предприятия. Наибольшее шумовое воздействие на окружающую среду оказывает автотранспорт (80% от общего шума). В настоящее время на автомобильных дорогах Москвы, Санкт-Петербурга и других крупных городов России уровень шума от транспорта в дневное время достигает 90100 дБ и даже ночью в некоторых районах не опускается ниже 70 дБ (предельно допустимый уровень шума для ночного времени 40 дБ). Официальные данные свидетельствуют, что в России примерно 35 млн человек (или 30% городского населения) подвержены существенному, превышающему нормативы, воздействию транспортного шума. От авиационного шума страдают несколько миллионов человек. При взлете самолетов наиболее шумных типов (ИЛ-76, ИЛ-86 и др.) авиационный шум с максимальным уровнем 75 дБ фиксируется на расстоянии 4050 км от аэропорта (Государственный доклад…, 1995). Шумовое воздействие в крупных индустриальных городах мира одна из наиболее острых экологических проблем современности. Подсчитано, что более половины населения Западной Европы проживает в районах, где уровень шума составляет 5570 дБ. Многочисленные эксперименты и практика подтверждают, что антропогенное шумовое воздействие неблагоприятно сказывается на организме человека и сокращает продолжительность его жизни, ибо привыкнуть к шуму физически невозможно. Человек может субъективно не замечать звуки, но от этого разрушительное действие его на органы слуха не только не уменьшается, но и усугубляется. Неблагоприятно влияют на питание тканей внутренних органов и на психическую сферу человека и звуковые колебания с частотой менее 16 Гц (инфразвуки). Так, например, исследования, проведенные датскими учеными, показали, что инфразвуки вызывают у людей состояние, аналогичное морской болезни, особенно при частоте менее 12 Гц. Шумовое антропогенное воздействие небезразлично и для животных. В литературе имеются данные о том, что интенсивное звуковое воздействие ведет к снижению удоев, яйценоскости кур, потере ориентирования у пчел и к гибели их личинок, преждевременной линьке у птиц, преждевременным родам у зверей и т. д. В США установлено, что беспорядочный шум мощностью 100 дБ приводит к запаздыванию прорастания семян и к другим нежелательным эффектам. 17.3. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ Под биологическим загрязнением понимают привнесение в экосистемы в результате антропогенного воздействия нехарактерных для них видов живых организмов (бактерий, вирусов и др.), ухудшающих условия существования естественных биотических сообществ или негативно влияющих на здоровье человека. Основными источниками биологического загрязнения являются сточные воды предприятий пищевой и кожевенной промышленности, бытовые и промышленные свалки, кладбища, канализационная сеть, поля орошения и др. Из этих источников разнообразные органические соединения и патогенные микроорганизмы попадают в почву, горные породы и подземные воды. По данным санэпидстанций, патогенные кишечные палочки обнаруживаются в подземных водах на глубине до 300 м от поверхности земли. В сточных водах целлюлозно-бумажных, нефтеперерабатывающих и текстильных предприятий объем микрофлоры может достигать опасной для человека величины. В качестве источника углерода и энергии микроорганизмы используют сложные полимеры (целлюлозу, углеводороды нефти и др.). Особую опасность представляет биологическое загрязнение среды возбудителями инфекционных и паразитарных болезней. Значительные изменения окружающей среды в результате антропогенного воздействия приводят к непредсказуемым последствиям в поведении популяций возбудителей и переносчиков опасных для человека и животных болезней. 223 Увеличивается количество вспышек классической чумы свиней, оспы у овец, клещевого энцефалита и геморрагической лихорадки среди людей. По мнению авторов Государственного доклада (1995), в сложившейся ситуации наступление СПИДа лишь первое звено в цепи возможных эпидемий неизвестных прежде заболеваний вирусной этиологии. Цитомегалавирус, не представлявший значительной опасности еще несколько лет назад, может стать главной угрозой в связи с трансплантациями органов и тканей, а также как оппортунистическая инфекция при СПИДе. Весьма опасны также вирус лихорадки Чикунгунья, вирус геморрагической лихорадки с почечным синдромом (вирус «Хантаан») и другие, уничтожение которых представляет значительные трудности. Новая экологическая опасность создается в связи с развитием биотехнологии и генной инженерии. При несоблюдении санитарных норм возможно попадание из лаборатории или завода в природную среду микроорганизмов и биологических веществ, оказывающих весьма вредное воздействие на здоровье человека и его генофонд. Помимо генно-инженерных аспектов среди актуальных вопросов биобезопасности, имеющих важное значение для сохранения биоразнообразия, выделяют также: генетические и экологические последствия интродукции животных и растений; риск генетического загрязнения генофонда редких и исчезающих видов; перенос генетической информации от домашних форм к диким. 17.4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ИЗЛУЧЕНИЙ Законом РФ «Об охране окружающей среды» (2002 г.) предусмотрены меры по предупреждению и устранению вредных физических воздействий, включая электромагнитные и магнитные поля. На протяжении миллиардов лет естественное магнитное поле Земли постоянно воздействовало на состояние экосистем. В ходе эволюционного развития структурно-функциональная организация экосистем адаптировалась к естественному фону. Некоторые отклонения наблюдаются лишь в периоды солнечной активности, когда под влиянием мощного корпускулярного потока магнитное поле Земли испытывает кратковременные резкие изменения своих основных характеристик. Это явление, получившее название магнитных бурь, неблагоприятно отражается на состоянии всех экосистем, включая и организм человека. В этот период отмечается ухудшение состояния больных, страдающих сердечно-сосудистыми, нервно-соматическими и другими заболеваниями. Влияет магнитное поле и на животных, в особенности на птиц и насекомых. На нынешнем этапе развития научно-технического прогресса человек вносит существенные изменения в естественное магнитное поле, придавая геофизическим факторам новые направления и резко повышая интенсивность своего воздействия. Основные источники этого воздействия электромагнитные поля от высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП), электромагнитные поля от радиотелевизионных и радиолокационных станций, а также видеодисплейные терминалы и ЭВМ в учебных заведениях. На территории СНГ общая протяженность только ЛЭП 500 кВ превышает 20 тыс. км (помимо ЛЭП-150, ЛЭП-300 и ЛЭП-750). Линии ЛЭП и некоторые другие энергетические установки создают электромагнитные поля промышленных частот (50 Гц), в сотни раз выше среднего уровня естественных полей (рис. 17.3). Напряженность поля (Е) под ЛЭП может достигать десятков тысяч вольт на метр. 224 Рис. 17.3. Физическое загрязнение окружающей среды ЛЭП высокого напряжения Наибольшая напряженность поля наблюдается в месте максимального провисания проводов, в точке проекции крайних проводов на землю и в 5 м от нее кнаружи от продольной оси трассы: для ЛЭП 330 кВ 3,55,0 кВ/м, для ЛЭП 500 кВ 7,68 кВ/м и для ЛЭП 750 кВ 10,015,0 кВ/м (Думанский и др., 1976). Отрицательное воздействие электромагнитных полей на человека, на те или иные компоненты экосистем прямо пропорционально мощности поля и времени облучения. Неблагоприятное воздействие электромагнитного поля, создаваемого ЛЭП, проявляется уже при напряженности поля, равной 1000 В/м. У человека нарушаются функции эндокринной системы, обменные процессы, функции головного и спинного мозга и др. Воздействие электромагнитных излучений от радиотелевизионных и радиолокационных станций на среду обитания человека связано с формированием высокочастотной энергии. Японскими учеными обнаружено, что в районах, расположенных вблизи мощных излучающих теле- и радиоантенн, заметно повышается заболевание катарактой глаз. Медико-биологическое негативное воздействие электромагнитных излучений возрастает с повышением частоты, т. е. с уменьшением длины волн. В целом можно отметить, что электромагнитные излучения от радиотелевизионных средств связи, радиолокаторов и других объектов приводят к значительным нарушениям физиологических функций человека и животных. По мнению проф. С. Ниты (Япония), вредное воздействие на человеческий организм невидимого, но очень опасного электромагнитного загрязнения окружающей среды идет гораздо более быстрыми темпами, чем прогресс в электронике. Крайне необходимы дальнейшие эколого-эпидемиологические исследования воздействия электромагнитных полей и излучений на здоровье человека, состояние биоты и экосистем в целом. 17.5. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОТ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Эксплуатация ракетно-космической техники связана с глобальным воздействием на природные экосистемы Земли и околоземное космическое пространство. В Законе РФ «О космической деятельности» принцип безопасности космической деятельности и охраны окружаюшей природной среды отнесен к числу важнейших. К сожалению, за годы космической эры, он неоднократно нарушался по разным причинам. В России мощными источниками загрязнения природной среды считаются все три российских 225 космодрома (испытательный полигон «Плесецк» в Архангельской области, испытательный полигон «Капустин Яр» в Астраханской области и испытательный полигон «Свободный» в Амурской области). Сильно загрязняет природную среду и казахстанский космодром «Байконур». Особую опасность представляют жидкотопливные ракеты-носители типа «Союз», «Зенит», «Космос» и др. К основным факторам негативного экологического воздействия от ракетно-космической деятельности относят: загрязнение территорий и акваторий от падения частей ракет; химическое загрязнение атмосферы, почвы, биоты, поверхностных и подземных вод несгоревшими токсичными компонентами ракетного топлива; загрязнение от запуска и уничтожения ракет; загрязение от производства, хранения и уничтожения гептила и других токсичных топлив; разрушение озонового слоя Земли; засорение околоземного пространства фрагментами ракетно-космической техники («космический мусор»). Масштабы и опасные последствия загрязнения и засорения окружающей среды, вызванные ракетно-космической техникой, постоянно возрастают. Контрольные вопросы 1. На какие виды классифицируются отходы производства и потребления? 2. Какие отходы представляют наибольшую экологическую опасность для человека и биотических сообществ? 3. Существует ли опасность перемещения в Россию токсичных отходов из других стран? 4. Назовите основные источники антропогенного шума. При какой силе звука уровень шума считается для человека недопустимым? 5. Что называют биологическим загрязнением? 6. Опасно ли для человека и биоты воздействие электромагнитных излучений и ракетнокосмической деятельности? 226 ГЛАВА 18. ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОСФЕРУ ВСТУПЛЕНИЕ Экстремальные разрушительные воздействия на природную окружающую среду могут иметь антропогенный (военные действия, аварии, катастрофы) и природный характер (стихийные бедствия). Территории, в которых в результате действия аварий, катастроф, военных действий или стихийных бедствий происходят отрицательные изменения в окружающей среде, угрожающие здоровью человека, состоянию естественных экологических систем, генетическому фонду растений и животных, объявляют зонами чрезвычайной экологической ситуации. Самым мощным разрушительным фактором из всех видов воздействия человека на окружающую среду считаются военные действия. Война наносит неслыханный урон человеческой популяции и экосистемам. Только в период второй мировой войны военными действиями была охвачена площадь около 3,3 млн км2, в ходе войны погибло 55 млн человек. Во время войны в Персидском заливе в феврале 1991 г. было взорвано 1250 нефтяных скважин, в результате чего ежедневно сгорало около 1 млн т нефти, загрязняя воздух на многие сотни километров от Кувейта. Ракетно-бомбовые удары НАТО по военным и гражданским объектам Югославии в первой половине 1999 г. привели к мощным пожарам и разрушениям, весьма опасному загрязнению воздуха, почвы, вод Дуная токсичными химическими веществами и нефтепродуктами. Весьма опасны экологические последствия боевых действий, ведущихся в Ираке в настоящее время. Крупные техногенные аварии и катастрофы также оказывают пагубное влияние на большое число природных экосистем, вызывают необратимые изменения окружающей среды, нередко сопровождаются значительными людскими и материальными потерями. Без всякого преувеличения можно отметить, что они серьезно нарушают экологическую безопасность государства, вызывают резко негативное отношение населения к государственной политике в области охраны окружающей среды. В. В. Петров (1995) отмечает, что именно трагедия Чернобыля, Арала, крупные аварии и катастрофы с тяжелыми экологическими последствиями окончательно повернули общественное мнение в сторону защиты окружающей среды и положили начало широкому экологическому движению в России. Мощным дестабилизатором экологической обстановки являются и стихийные природные бедствия, в результате которых гибнет огромное число людей, меняются рельеф и климат планеты, уничтожается растительный покров, нарушаются основные системы жизнеобеспечения Земли. 18.1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ОРУЖИЯ МАССОВОГО УНИЧТОЖЕНИЯ Любые военные действия наносят окружающей природной среде весьма ощутимый ущерб, особенно, если они ведутся на большой территории в течение длительного времени. Однако и при кратковременных военных конфликтах могут возникнуть чрезвычайные экологические ситуации, если возможный противник применит современные средства поражения. Преднамеренные воздействия человека на природу и окружающую среду в военных целях получили название экологической войны. В настоящее время наиболее разрушительным потенциалом обладает оружие массового уничтожения ядерное, химическое и бактериологическое. Все компоненты окружающей природной среды и человек, в первую очередь, весьма уязвимы для каждого из этих видов оружия. Ядерное оружие характеризуется большой мощностью и различным поражающим действием, которое определяется воздействиями на окружающую среду ударной волны, светового излучения, проникающей радиации, радиоактивного заражения и электромагнитного импульса. Ударная волна при ядерном взрыве обладает колоссальной разрушительной силой, нанося незащищенным людям и животным тяжелые травмы, вплоть до гибели. При избыточном давлении во фронте ударной волны более 50 кПа наблюдается полное повреждение лесного массива, деревья с корнем вырываются, а у людей разрываются внутренние органы, переламываются кости. 227 Световое излучение вызывает сильнейшие ожоги открытых участков тела, в том числе сетчатки глаз. В Хиросиме и Нагасаки термические поражения (ожоги) были основными последствиями ядерных взрывов. Под воздействием проникающей радиации, вызываемой смертоносными гамма-лучами и нейтронами, у людей и животных возникает лучевая болезнь, которая в тяжелых случаях заканчивается летальным исходом. В 7080-е гг. было введено понятие «ядерной зимы» модельно прогнозируемого резкого и длительного похолодания, могущего возникнуть в случае войны с применением термоядерного оружия (Н. Н. Моисеев, М. И. Будыко и др.). При этом среднее понижение температуры воздуха над северным полушарием прогнозируется более чем на 20 С. Грандиозные пожары, которые неизбежно будут сопровождать ядерные взрывы, создадут огромные массы газообразных примесей и дыма, которые вызовут затемнение поверхности земли («ядерная ночь») на многие недели и даже месяцы. «Ядерная зима» это глобальная экологическая катастрофа, которая окажет разрушительное действие на основные природные экосистемы Земли и приведет к самоуничтожению человечества. Химическое оружие предназначено для отравления человека и биоты с помощью боевых отравляющих веществ газов, жидкостей или твердых веществ. Средства их применения: ракеты, мины, снаряды, бомбы или распыление с самолетов. Химические отравляющие вещества способны внедряться и передвигаться по трофическим цепям, представляя высокую токсичную опасность для жизнедеятельности организмов. В больших количествах химическое оружие применялось во время Первой мировой войны и во Вьетнаме. В 19141918 гг. боевые отравляющие вещества, в основном иприт, вызвали гибель более 10 тыс. человек и 1,2 млн человек сделали инвалидами. В настоящее время создан принципиально новый класс боевых отравляющих веществ нервно-паралитического действия (зарин, табун, зоман и др.), а также отравляющие вещества психогенного, общеядовитого и удушающего действия. Все они оказывают крайне негативное влияние на природные экосистемы, вызывая массовые поражения людей, гибель большой части популяций любых позвоночных животных, растений. Во Вьетнаме боевые отравляющие вещества применялись в основном в виде дефолиантов (гербицидов), что приводило к потере растениями листьев, нарушению роста, а впоследствии и к полной гибели их на больших площадях, что безусловно имело отрицательное воздействие на все природные экосистемы. В результате распыления армией США свыше 100 тыс. т дефолиантов (гербицидов) во Вьетнаме было уничтожено 12% лесов, 40% мангров и более 5% сельхозугодий страны. Непосредственный ущерб здоровью был причинен 1,6 млн вьетнамцев. Более 7 млн человек были вынуждены покинуть районы, где было применено химическое оружие (Н. Ф. Реймерс, 1990). Авторы отчета Американской академии наук считают, что растительность Вьетнама и Камбоджи сумеет преодолеть последствия этого массированного применения уничтожающих растительность боевых веществ только через десятилетия, если не через столетия. В ходе военных действий в 19611975 гг. во Вьетнаме, Лаосе и Кампучии американские войска использовали не только химическое оружие. Широко применялась тактика «выжженной земли». В результате массированных бомбардировок образовались огромные площади антропогенного бедленда (от англ. «дурные земли»). С помощью мощных бульдозеров срезались под «корень» тропические леса вместе с почвой, затоплялись прибрежные территории, широко применялся напалм (зажигательная смесь) и др. Именно в период войны в Индокитае А. Гальсфоном (1970) был впервые введен термин «экоцид» (экологическая война). В 1993 г. Россия присоединилась к Международной конвенции о запрещении химического оружия. Ратифицировав ее в 1997 г., Россия приняла тем самым на себя обязательство к 2012 г. уничтожить все имеющиеся запасы этого вида оружия. Бактериологическим (биологическим) оружием называют бактериальные средства (бактерии, вирусы и др.), яды (токсины), предназначенные для массового поражения людей. Используются они с помощью живых переносчиков заболеваний (грызунов, насекомых и др.), либо в виде боеприпасов, 228 начиненных зараженными порошками или жидкостью. Бактериологическое оружие способно вызвать массовые инфекционные заболевания людей и животных чумой, холерой, сибирской язвой и другими болезнями, даже попадая в их организм в ничтожно малых количествах. Многие бактерии способны образовывать споры, которые могут сохраняться в почве в течение десятилетий. Ликвидация всех видов оружия массового уничтожения единственно реальный путь предотвращения глобальной экологической катастрофы, связанной с военными действиями. Сейчас же оружие массового уничтожения представляет угрозу самому существованию планеты. С другой стороны следует признать, что начавшийся вывод из обращения химического и бактериологического оружия и сокращение запасов ядерного оружия порождает ряд серьезных экологических проблем. В первую очередь, необходимо решить задачу надежного и безопасного их захоронения. 18.2. ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕХНОГЕННЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ КАТАСТРОФ Техногенная экологическая катастрофа это авария технического устройства (атомной электростанции, танкера и т. д.), которая приводит к остронеблагоприятным изменениям в окружающей природной среде и, как правило, массовой гибели живых организмов и экономическому ущербу (Реймерс, 1990). Аварии и катастрофы возникают внезапно, имеют локальный характер, в то же время экологические последствия их могут распространяться на весьма значительные расстояния. Как показывает опыт, техногенные экологические катастрофы возможны даже в странах с высокими технологическим стандартами, и возникновение их обусловлено комлексом различных причин: нарушением техники безопасности, ошибками людей, либо их бездействием, различными поломками, влиянием стихийных бедствий и т. д. Наибольшую экологическую опасность представляют катастрофы на радиационных объектах (атомные электростанции, предприятия по переработке ядерного топлива, урановые рудники и др.), химических предприятиях, нефте- и газопроводах, транспортных системах (морской и железнодорожный транспорт и др.), плотинах водохранилищ и т. д. Самая крупная в истории человечества катастрофа техногенного характера, приведшая к трагическим последствиям, произошла 26 апреля 1986 г. на четвертом энергоблоке Чернобыльской АЭС на Украине. От острой лучевой болезни погибли 29 человек, эвакуировано было более 120 тыс. человек, общее число пострадавших превысило 9 млн человек. Следы чернобыльского «события» в генном аппарате человечества, по свидетельству медиков, исчезнут лишь через 40 (сорок!) поколений. 25 апреля 1986 г. на Чернобыльской АЭС готовились остановить четвертый энергоблок на «планово-предупредительный» ремонт. Во время остановки блока предполагалось провести испытания с полностью отключенной защитой реактора в режиме полного обесточивания оборудования АЭС. Это было большим риском, могущим вызвать непредсказуемые последствия. Сыграло свою роль и то, что в период испытаний была отключена система аварийного охлаждения реактора (САОР). Это и многочисленные ошибки персонала и руководства АЭС создали в Чернобыле аварийную ситуацию, приведшую к страшным последствиям. К тому же на АЭС были сооружены реакторы типа РБМК (реактор большой мощности канальный) без надежной системы защиты рабочей зоны в случае аварии. Общая площадь радиоактивного загрязнения по изолинии 0,2 мР/ч составила уже в первые дни аварии около 200 тыс. км2, охватив многие районы Украины, Белоруссии, а также Брянскую, Калужскую, Тульскую и другие области Российской Федерации (рис. 18.1). 229 Рис. 18.1. Основные очаги загрязнения цезием 137Cs: 1 очаги загрязнения (Ц Центральный, Б Брянско-Белорусский, К Калужский); 2 границы Заметные выпадения радионуклидов с периодом полураспада от 11 (криптон-85) до 24100 часов (плутоний-239) достигли Болгарии, Польши, Румынии, ФРГ и других стран. Максимальная величина загрязнения по цезию-137 в этих странах достигала 1 Ku/км2. По мнению американских ученых Э. Теллера, Л. Вуда и др. (1996), несмотря на длительный срок после аварии, чернобыльский синдром по-прежнему блокирует позитивное восприятие атомной энергетики широкой общественностью высокоразвитых стран. Поэтому ими предложен «очевидно» безопасный для всех проект подземной атомной станции мощностью 1 Гвт, работающей в автоматическом режиме без участия человека на глубине более 100 м. Конструкция ядерного реактора такова, что позволяет использовать низкообогащенное ядерное топливо, которое никогда не должно извлекаться. Тем не менее обеспечение безопасности ядерных источников энергии продолжает оставаться актуальнейшей проблемой, которая может быть решена только совместными усилиями всего мирового сообщества. В России к 2005 г. планировалось вывести из эксплуатации все ядерные реакторы АЭС первого поколения и частично второго. Вместо них должны быть построены новейшие модификации реакторов на легкой воде и на быстрых нейтронах (типа БН). До Чернобыльской аварии в 1986 г. самой тяжелой в ядерной энергетике считалась авария в 1979 г. на америанской АЭС Тримайл-Айленд близ г. Гаррисберга (штат Пенсильвания). Сохранившаяся защитная оболочка реактора предотвратила весьма тяжелые экологические последствия от этой аварии. Тем не менее населению и окружающей природной среде был нанесен серьезный экологический вред. Из 30-километровой зоны бедствия было эвакуировано все население. Крупная авария произошла 29 сентября 1957 г. в Челябинской области близ г. Кыштыма на оборонном предприятии, которое было построено сразу после войны для создания атомного оружия. По сообщению В. Е. Соколова (1993), взрыв произошел в бетонных емкостях для жидких отходов, что привело к выбросу радиоактивных продуктов деления в атмосферу и последующему их рассеянию и осаждению на площади более 15 тыс. км2. Выброс составил 2 млн 100 тыс. Ku (при аварии на Чернобыльской АЭС было выброшено 50 млн Ku). К изучению и решению проблем, связанных с данным аварийным выбросом, были привлечены 230 крупные научные силы (академики В. М. Клечковский, Н. П. Дубинин и др.). При изучении последствий аварии в Челябинской области были заложены основы практической радиоэкологии. Детально исследовались закономерности поведения стронция-90 в сельскохозяйственных, лесных и водных экосистемах, а также в пищевых цепях человека и на их основе разрабатывались практические рекомендации. Очень опасны и тяжелы по своим экологическим последствиям крупные аварии и катастрофы на химических объектах. В этих случаях происходит заражение отравляющими веществами всего приземного слоя атмосферы, водных источников, почв и т. д. При высоких концентрациях отравляющих веществ наблюдается массовое поражение людей и животных. В качестве примера рассмотрим последствия одной из наиболее трагичных экологических катастроф, происшедшей на химически опасном объекте в Бхопале (Индия). Здесь 3 декабря 1984 г. на фабрике по производству пестицидов, принадлежащей американской компании «Юнион Карбайд», произошла утечка из стальных цистерн весьма ядовитой смеси фосгена и метилизоцианата в количестве более 30 т. В результате аварии погибли 3 тыс. человек, около 20 тыс. ослепли и у 200 тыс. человек отмечались серьезные поражения головного мозга, параличи и т. д. У потомства, появившегося на свет после катастрофы, наблюдались множественные случаи уродства. Катастрофа произошла из-за грубого нарушения техники безопасности, ее усугубила необученность персонала действиям в аварийных ситуациях. Широкую известность получила экологическая катастрофа на химическом производстве в г. Севезо (Италия). 10 июля 1976 г. из-за допущеной персоналом ошибки произошла утечка около 2,5 кг сверхтоксичного вещества диоксина, обладающего, как известно, канцерогенным, тератогенным (патологическое действие на новорожденных) и мутагенным действием. После описанной катастрофы диоксин нередко стали называть также и как Севезо-Д. В результате аварии у нескольких сотен людей развилось тяжелое кожное заболевание хлоракне, десятки тысяч отравившихся животных были забиты. По оценкам специалистов-экологов, действие диоксина будет проявляться еще в течение двух трех десятилетий, поскольку это вещество способно длительно сохранять свою токсичность. Примером экологических катастроф, связанных с морскими транспортными системами, является разлив более 16 тыс. т мазута с танкера «Глобе Асими», происшедший в порту Клайпеда 21 ноября 1971 г. Разлив мазута отрицательно отразился на экосистеме залива Балтийского моря. Резко уменьшилась численность фитопланктона и его видовое разнообразие, было нарушено естественное воспроизводство, загрязнены миграционные пути и т. д. В мире известны и другие крупнейшие катастрофы морских судов, вызвавшие нефтяное загрязнение Мирового океана. Так, в результате катастрофы танкера «Эксон валдис» (1989) в воду вылилось 50 тыс. т нефти; в августе 1983 г. недалеко от Атлантического побережья загорелся и затонул танкер «Кастило де Бельвер», в океане оказалось 250 тыс. т нефти; неподалеку от французского порта Бордо в марте 1978 г. затонул супертанкер «Амоко Надис», пролилось 230 тыс. т сырой нефти, образовав на поверхности воды самое большое нефтяное пятно в истории судоходства, погибли сотни тысяч морских птиц и других животных. В нашей стране, несмотря на существенное снижение объемов и темпов производства в последние годы, наметилась устойчивая тенденция роста техногенных аварий и катастроф. Так, только в 2001 г. на территории России произошло 617 аварий и катастроф с экологическими последствиями, в которых пострадало 3309 человек (Государственный доклад…, 2002). В основном это аварии на воздушном и железнодорожном транспорте (при столкновении составов с опасными грузами), а также аварии и катастрофы, связанные с выбросами ядовитых газов аммиака и пропана, со взрывами метана на угольных шахтах, взрывами нефте- и газопроводов. Так, в ночь с 8 на 9 октября 1993 г. на 184 км нефтепровода Лисичанск Тихорецк произошел разрыв 72-сантиметровой трубы, из которой в р. Б. Крепкая вылилось 408 т сырой нефти. В ходе возникшего пожара (рис. 18.2) большая часть нефти сгорела, другая аккумулировалась в подземных и поверхностных водах, почвогрунтах, донных отложениях и биоте. В результате состоянию биоты и 231 экосистем был нанесен серьезный экологическмй ущерб, что подтвердили многочисленные анализы (Федоров, 1995). Рис. 18.2. Экологические последствия аварии нефтепровода Лисичанск Тихорецк в 1993 г. 18.3. СТИХИЙНЫЕ БЕДСТВИЯ К стихийным бедствиям относят явления природы, которые создают катастрофические экологические ситуации и, как правило, сопровождаются огромными людскими и материальными потерями. Стихийные бедствия с давних пор находятся в центре внимания ученых. При ЮНЕСКО создана специальная комиссия по их учету и анализу. Среди наиболее распространенных и опасных стихийных бедствий выделяют землетрясения, цунами, извержения вулканов, оползни, наводнения, штормы (ураганы, циклоны, тайфуны), засухи и др. Об исключительной актуальности борьбы с ними свидетельствовало провозглашение Генеральной ассамблеей ООН периода с 1990 по 2000 г. международным десятилетием по уменьшению опасности стихийных бедствий. Стихийные бедствия это отражение объективного естественного хода эволюции Земли. Их возникновение в тех или иных регионах обусловлено комплексом причин, среди которых главенствующее значение имеют геологические, геоморфологические, климатические особенности территории. Вероятность крупномасштабных стихийных бедствий увеличивается по мере снижения устойчивости биосферы и возможного изменения климата (Марчук, 1990). По своему происхождению все стихийные бедствия классифицируются на два типа: эндогенные, т. е. связанные с внутренней энергией Земли, и экзогенные, обусловленные, главным образом, солнечной энергией и силой тяжести. К первому типу относятся землетрясения, цунами, извержения вулканов, ко второму наводнения, штормы, тропические штормы, оползни, засухи и др. Стихийные бедствия эндогенного характера Землетрясения одно из наиболее грозных проявлений внутренней энергии Земли. Внезапные сейсмические толчки и колебания земной поверхности могут быть весьма значительными и иметь 232 катастрофические экологические последствия. В мире известны два наиболее опасных сейсмических пояса: первый протягивается вдоль берегов Тихого океана, образуя тихоокеанское «огненное кольцо», второй простирается от Пиренейского полуострова до Малайского архипелага. Из-за высокой плотности населения именно на второй, так называемый Альпийско-Гималайский пояс, приходится до 75% человеческих жертв при землетрясениях за последние десятилетия. В России и в странах ближнего зарубежья к наиболее опасным сейсмическим районам относят Карпаты, Крым, Кавказ, Среднюю Азию, Алтай, Забайкалье, Дальний Восток, Сахалин, Курильские острова, Камчатку. Постоянной угрозе разрушительных землетрясений подвержено 20% территории России. Землетрясения наносят весьма ощутимый вред окружающей природной среде и уносят с собой тысячи человеческих жизней. Так, весьма трагичным по своим последствиям оказалось землетрясение в г. Тайшань (Китай), происшедшее 28 июля 1976 г. Оно унесло четверть миллиона жизней (почти 25% населения города). Лишь очень немногим из числа жителей города удалось избежать телесных повреждений. Величайшая сейсмическая катастрофа произошла в высокогорной части Тибета 15 августа 1950 г. (Гималайское землетрясение). Ученые подсчитали, что энергия этого землетрясения была эквивалентна энергии взрыва 100 тыс. атомных бомб. Немногие очевидцы, оставшиеся в живых, свидетельствовали об огромных изменениях в рельефе, об оглушительном грохоте, сопровождавшем подземные толчки, о небе, померкнувшем от поднявшейся пыли. За последние десятилетия на территории бывшего СССР произошли сильнейшие землетрясения в г. Ашхабаде (1948 г.), Ташкенте (1966 г.) и Спитаке (Армения) в 1988 г. Спитакское землетрясение 7 декабря 1988 г. по своим масштабам стоит в ряду крупнейших сейсмических катастроф ХХ в., только человеческих жизней оно унесло более 25 тыс. (рис. 18.3). Рис. 18.3. Разрушение жилых домов в г. Спитаке в декабре 1988 г. В России в последнее время землетрясения катастрофической силы с магнитудой М 8 и интенсивностью в эпицентре девять десять баллов зафиксировано 4 октября 1994 г. в районе Курильских островов (Сахалинская область). В зоне бедствия оказались несколько десятков тысяч человек, имелись человеческие жертвы, нанесен значительный ущерб природной среде островов. Одним из сильнейших землетрясений в истории России стало Сахалинское 27 мая 1995 г. Общая площадь, подверженная катастрофическим сейсмическим толчкам, составила 215 тыс. км2, полностью был разрушен г. Нефтегорск, погибло около двух тысяч человек. В тех случаях, когда сейсмические явления возникают на дне океанов, на поверхности океана рождаются гравитационные волны большой длины. Их называют японским словом цунами. Высота этих сейсмических волн в области возникновения относительно небольшая (0,15 м), а у побережья достигает 50 м и более. Цунами перемещаются на сотни и тысячи километров с огромной скоростью (до 800 км/ч и даже более 1000 км/ч). 233 26 декабря 2004 г. гигантские волны цунами, порожденные сильнейшим за последние 40 лет землетрясением с магнитудой М 8,9 близ о. Суматра (Индонезия), смыли деревни и курорты в прибрежных низменных районах Шри-Ланки, Индии, Таиланда, Индонезии, Бангладеш и Мьянме (Бирме) (рис. 18.4). Специальные службы наблюдения и оповещения за приближением цунами в этих странах отсутствовали. Рис. 18.4. Действующий вулкан на Камчатке Погибло 305 тыс. человек (данные на 31 января 2005 г.). Причина землетрясения сдвиг тектонических плит вдоль линии разлома на отрезке длиной более тысячи километров. По оценке специалистов, землетрясение и цунами в Индийском океане входят в десятку самых грандиозных экологических катастроф в истории человечества. В нашей стране цунами наблюдаются на восточных берегах Камчатки и Курильских островов. Здесь за последние 200 лет отмечено 14 цунами, из которых четыре были катастрофическими. Последнее катастрофическое цунами в этом районе было 5 ноября 1952 г. в районе острова Парамушир, на котором располагался г. Северо-Курильск. Экологические последствия землетрясений и цунами могут быть самыми различными: массовая гибель и поражение людей и животных, нарушение устойчивости природных экосистем; загрязнение атмосферы, вследствие массовых пожаров при замыкании энергетических сетей; взрывы газа при разрушении газовых сетей и других причин; смещение огромных земляных масс вниз по склону (горные оползни, оползни на берегах рек и морских побережий); многочисленные горные обвалы, грязевые потоки, камнепады; затопление территории в результате отклонения течения рек, перегораживания русла, образования подпруд; разрушение и смывание прибрежных населенных пунктов волнами цунами; резкое ухудшение санитарной обстановки, возможное возникновение эпидемий; сильное психологическое воздействие на людей, тяжкие психические травмы со смертельным исходом. Вулканические извержения (см. рис. 18.4) оказывают огромное влияние на формирование среды обитания на Земле, ежегодно выбрасывая до 1,5 млрд т вулканического вещества. Всего в мире насчитывается четыре тысячи вулканов, из них действующих 540. На территории России действующие вулканы находятся на Камчатке и на Курильских островах. Наиболее известен Ключевский (4850 м) самый высокий действующий вулкан Евразии, расположенный на востоке Камчатки. Очень активны по частоте и силе извержения также вулканы Шевелуч, Безымянный, 234 Нарымский, Ксудач. Крупные, но потухшие вулканы находятся на Кавказе Эльбрус (5642 м), двухвершинный Казбек, Арарат, конус которого покрыт снежной шапкой. Вулканической сверхкатастрофой может быть названо извержение вулкана Кракатау в Зондском архипелаге, между островами Ява и Суматра в августе 1883 г. Извержение носило взрывной характер. Взрыв уничтожил 2/3 острова, образовался гигантский подводный кратер глубиной до 300 м. Грохот извержения был слышен в Центральной Австралии на расстоянии 3600 км. Вулканический пепел поднялся на высоту до 80 км, облетел весь земной шар и держался в атмосфере несколько лет. Цунами, которые воникли при взрыве вулкана, погубили более 36 тыс. человек на соседних островах. Однако самым сильным извержением исторического времени считается извержение вулкана Тамбора на острове Сумбава в Индонезии в 1815 г. Первоначальная высота Тамбора 4000 м, после взрыва уменьшилась до 2850 м. В атмосферу было выброшено 100 км3 горных пород, образовался огромный кратер размером 6 6,5 км и глубиной 700 м. В течение трех дней территория, равная Франции, на которой проживали миллионы людей, была во власти кромешной тьмы (Резанов, 1984). Общее число погибших составило несколько десятков тысяч человек. В ХХ в. самая крупная вулканическая катастрофа произошла в марте 1956 г. на Камчатке. Извержение также носило взрывной характер, в результате была снесена вершина вулкана Безымянный и его высота уменьшилась на 200 м. Общий объем выброшенного на высоту до 45 км пепла превысил 0,5 млрд м3. На расстоянии свыше 10 км толщина слоя вулканического песка и пепла достигала 0,5 м. Стихийные бедствия экзогенного характера Среди стихийных бедствий экзогенного характера наиболее опасны наводнения, тропические штормы, засуха, оползни, обвалы и сели. Наводнения временное затопление значительной части суши водой в результате подъема уровня в реке, озере, море или искусственном водоеме. Наводнения наносят огромный вред биоте и человеку, угрожая почти 3/4 поверхности Земли. По данным К. Я. Кондратьева и др. (1995), только за период с 1981 по 1988 г. на Земле произошло пять крупнейших наводнений, во время каждого из которых погибло свыше 2000 человек (Индия, Перу, Бангладеш, Китай два раза). В России наводнениям периодически подвергаются низменные районы центральной части Европейской территории, Южного Урала, юга Западной Сибири, Поволжье, Северный Кавказ и др. Общая площадь затоплений в разные годы колеблется от 50 до 400 тыс. км2. В районах Дальнего Востока наводнения носят характер стихийного бедствия. При катастрофических речных наводнениях затапливаются огромные территории, гибнут люди, надолго парализуется хозяйственная деятельность человека. Экологические последствия подобного рода наводнений весьма значительны. Известно, например, катастрофическое наводнение в Приморье летом 1950 г., когда была затоплена вся Приханкайская низменность площадью более 6 тыс. км2. Небывало мощные наводнения произошли в 2002 г. на р. Лене и на Северном Кавказе (ливневые наводнения в Краснодарском и Ставропольском краях и др.) (рис. 18.5). Надолго останутся в памяти людей наводнения, вызванные мощными заторами льда на р. Енисей у г. Красноярска (1941 г.), на р. Северной Двине у г. Архангельска (1953 г.) и др. 235 а б Рис. 18.5. Экологические последствия ливневого наводнения 2002 г. (г. Крымск, Краснодарский край, Россия): а негативные изменения в «сухопутных» фитоценотических сообществах при длительных наводнениях; б затопление селитебной зоны в городе Все знают о наводнении в Петербурге 7 ноября 1824 г., красочно описанном А. С. Пушкиным в поэме «Медный всадник». Максимальный уровень подъема воды достиг тогда 410 см, погибло 208 человек, утонуло 3600 голов крупного рогатого скота, разрушено и повреждено более 3 тыс. строений, из 94 судов, стоявших в гавани, удалось спасти только 12. И тем не менее наводнения на реках России не достигли столь грандиозных размеров как на реках бедствия: Янцзы и Хуанхэ в Китае, Ганге и Брахмапутре в Индии, Миссури и Миссисипи в США, Амазонке в Бразилии (Р. А. Нежиховский, 1988). Не случайно, река Хуанхэ в Китае («Желтая река») больше ивестна под названием «Скорбь Китая». Восемьдесят миллионов человек, которые живут в долине р. Хуанхэ, фактически ниже уровня воды в реке, постоянно испытывают страх перед катастрофическим наводнением. Морские наводнения возникают в тех случаях, когда море затопляет побережье или приморские территории. Обычно это бывает при сильных штормовых ветрах, либо при чрезвычайно обильных ливневых дождях. Морские наводнения типичны для низменных приморских территорий Голландии, северной части ФРГ, значительной части Юго-Восточной Азии, побережья Мексиканского залива и др. Наиболее значительными природными катастрофами в нашем столетии явились морские наводнения в Бенгальском заливе (Бангладеш) в 1970 и 1988 гг. По свидетельству З. Кукала (1985), 236 снимки пострадавшей области, сделанные с самолета, просто потрясают. Уничтожены целые селения, тысячи погибших тел, все затянуто светло-коричневой грязью. Площадь затопления составила 7500 км2. Общее число погибших при наводнении в ноябре 1970 г., по неофициальным данным, достигало одного миллиона. Наводнения были вызваны ураганными штормовыми ветрами, образованными тропическими тайфунами. Огромные морские наводнения происходят и вне тропических широт, затопляя огромные площади вдоль берегов моря. Весьма значительных размеров, например, достигло наводнение, сопровождающее ураган, свирепствовавший над Северным морем 31 января и 1 февраля 1953 г. Были затоплены огромные площади в Голландии, Бельгии, на восточном побережье Англии. Огромное дестабилизирующее влияние наводнений на экологическую обстановку сводится прежде всего к массовой гибели людей, а также животных, в частности, молоди и рыбы, сельскохозяйственных культур, садов, виноградников. В результате затопления ухудшается мелиоративное состояние почв, увеличивается их минерализация, суглинистые плодородные почвы переходят в малопригодные для сельскохозяйственного производства глеевые почвы и т. д. Тропические штормы (ураганы, циклоны, тайфуны) возникают в тропических широтах и представляют собой движение воздушных масс (ветер) с огромной скоростью. При переходе тропических штормов с моря на сушу они сопровождаются гигантскими волнами вместе с ливнями и грозами. В разных странах тропические штормы называют по-разному: ураган и циклон в Америке, тайфун в Юго-Восточной Азии и на Дальнем Востоке, циклон в Индии и Бангладеш и т. д. Ветер начинает вызывать повреждения уже при скорости 20 м/с. При урагане скорость ветра может достигать 5060 м/с, принося весьма значительные повреждения. Вряд ли кто-либо из людей отважится выйти из помещения при скорости ветра более 40 м/с, в противном случае ветер просто подхватит и понесет его. Наибольшее число тропических штормов зарождается в районе Желтого моря и Филиппинских островов. Некоторые из них достигают Владивостока и более северных российских портов Тихоокеанского побережья. Самым губительным в истории человечества считается тропический шторм (тайфун), который 8 октября 1881 г. уничтожил порт Хайфон во Вьетнаме. Погибли 300 тыс. человек. Катастрофической силы ураганы отмечались и в ХХ в. Штормы (не тропические или внетропические) это ураганы и циклоны со скоростью ветра более 30 м/с, которые зарождаются над океаном вне тропических широт. Их называют еще бурями и внешне они выглядят, как громадные черные тучи, передвигающиеся с огромной скоростью. Страшные опустошения приносят ураганные ветры из района Исландии, где смешиваются холодные потоки воздуха с берегов Гренландии и теплые, сопровождающие Гольфстрим (рис. 18.6). 237 Рис. 18.6. Путь «Голландского урагана» 1953 г. (по Колобову, 1957) В Европе они вызывают не только крупнейшие наводнения, но сопровождаются снежными бурями, снегопадами и метелями. Проносясь над земной поверхностью, циклоны, ураганы, тайфуны разрушают строения, ломают и вырывают с корнем деревья, срывают крыши, повреждают линии электропередач, что нередко приводит к пожарам. Многие тысячи людей гибнут под обломками зданий и сооружений, тонут при наводнениях, вызванных ураганными ветрами, еще больше людей получают тяжелые травмы от летящих с большой скоростью обломков разрушенных строений. Резко ухудшается экологическая обстановка на морских побережьях. Ураганные волны перемещают массы песка и ила, вследствие чего чистая морская вода становится мутной и грязной. Смываются многие километры песчаных дюн, изменяются очертания береговой линии, в массовом количестве гибнут донные рыбы; крабы, шримсы и песчаные черви уничтожаются почти поголовно, на берег выбрасываются барракуды и акулы. Засуха длительный период сухой погоды, чаще при повышенной температуре, с отсутствием или крайне незначительным количеством осадков и как следствие недостатком влаги в почве и воздухе. Возникновению засухи способствуют: 1) недостаточное количество осадков осенью; 2) бесснежная зима с малым количеством снега; 3) неблагоприятные условия для впитывания влаги ранней весной; 4) малое количество осадков поздней весной и ранним летом. Начало засухи связывают с установлением антициклонов малооблачной солнечной погоды без осадков. Длительная жестокая засуха это бедствие, которое приводит к очень тяжелым экологическим последствиям деградации природных экосистем, резким колебаниям численности многих видов животных, гибели растений, катастрофическому неурожаю, а в определенных социальноэкономических условиях и к голоду, и как следствие, к массовой гибели людей. Наиболее значительные засухи в России были в 1891, 1911, 1921, 1946 гг. Последняя жестокая засуха в европейской части России наблюдалась в 1972 г. По данным В. И. Осипова (1995), среди стихийных бедствий наиболее опасны для людей засухи: более половины погибших и пострадавших на Земле за последние 30 лет оказались их жертвами. Из общего числа жертв от природных катастроф в 19651992 гг. 3610 тыс. человек, на 238 долю засух приходится 51%, тайфунов и штормов 22%, землетрясений 16%, наводнений 9%, других природных катастроф 2%. Грандиозная экологическая катастрофа произошла в Сахеле (Африка) в конце 60-х начале 70х гг. Здесь с 1968 по 1973 г. наблюдалась сильная засуха; еще более в резкой форме она проявилась на африканском континенте в 19841985 гг. Только в 70-е гг. в Африке погибло от засух около 1,2 млн чел. Населению нашей планеты и окружающей природной среде постоянно угрожают и такие грозные стихийные бедствия, как оползни, обвалы, селевые потоки. Все они относятся к категории гравитационных и представляют собой смещение земляных масс вниз по склону под действием силы тяжести. Оползни и другие гравитационные процессы, особенно если они активизированы техногенными факторами, могут вызвать катастрофические последствия и причинить большой ущерб человеку, биоте и всей природной среде. Гравитационный перенос материала грозное природное явление. Оползни, обвалы и сели ежегодно уносят тысячи человеческих жизней. По данным К. Я. Кондратьева и др. (1995), за период с 1981 по 1989 г. только от одного из почти сотни катастрофических оползней погибло более тысячи человек (Эквадор, 1987). За этот же период самое большое число пострадавших отмечалось в Непале в 1987 г. 35 тыс. человек. Самый большой материальный ущерб был нанесен оползнями в Швейцарии (1988 г.). Весьма мощные грязекаменные селевые потоки, спровоцированные извержением вулкана Эл Руиз в Колумбии в 1985 г., стали причиной гибели 23 тыс. человек жителей г. Армеро. Здания и деревья были срезаны селем, словно огромным бульдозером. Гравитационные процессы серьезно нарушают нормальное функционирование природных экосистем. Разрушаются привычные экологические связи, гибнут деревья, многолетние насаждения, сельскохозяйственные культуры. В результате обвально-оползневых перекрытий русел горных рек возникают глубочайшие водоемы-водохранилища, угрожающие подтоплением территории, «наведенными» землетрясениями, а в случае прорыва естественной плотины катастрофическими наводнениями. Среди всех стихийных бедствий, бушующих на нашей планете, наиболее распространенными следует считать наводнения, тайфуны и штормы, засухи и землетрясения (рис. 18.7), а в России атмосферные явления (ураганы, бури и др.), землетрясения, наводнения и прочие бедствия. а 239 б Рис. 18.7. Наиболее распространенные типы природных катастроф (по В. И. Осипову, 2001): а в мире (19651999); б в России (19901999) Существует тесная взаимосвязь между стихийными бедствиями и техногенными катастрофами. В связи с увеличением концентрации промышленных предприятий и ростом численности городского населения такие стихийные бедствия, как землетрясения, наводнения, ураганы и др., все чаще сопровождаются массовыми пожарами, взрывами, выбросами газов и другими техногенными авариями. Взаимосвязь существует и между самими стихийными бедствиями. По мнению акад. В. И. Осипова (1995), в последние годы увеличилось число так называемых синергетических, или многоступенчатых, катастроф, когда одно стихийное бедствие порождает другое, что еще более ухудшает состояние окружающей природной среды. Так, например, во время землетрясения в 1976 г. в Гватемале образовалось более тысячи оползней. Извержение вулкана Эл Руиз в Колумбии в 1985 г. явилось причиной возникновения мощного селя и т. д. Только на основе научного прогноза и своевременного предупреждения возможно снизить экологический ущерб от стихийных бедствий. Оценивая характер и масштабы воздействия человека на биосферу, рассмотренные нами в главах 1218, следует признать, что «человечество получило такую власть над природой, которая намного превосходит воздействие других видов, и человек как биологический вид уже не находится в равновесии с окружающей средой» (Ф. Дре, 1976). Возможность человека манипулировать природой и активно влиять на окружающий мир проявилась не сразу. В историческом плане воздействие человека на биосферу претерпело следующие основные этапы (по Н. Ф. Реймерсу): 1) воздействие людей на биосферу лишь как обычных биологических видов; 2) сверхинтенсивная охота без резкого изменения экосистем в период становления человечества; 3) изменение экосистем через пастьбу скота, ускорение роста трав путем их выжигания и т. п.; 4) усиление влияния на природу с коренным преобразованием части экосистем (распашка земель, широкая вырубка лесов и т. п.); 5) глобальное изменение всех экологических компонентов в целом в связи с неограниченной интенсификацией хозяйства. Последний этап начался сравнительно недавно главным образом в ХХ в. В настоящее время мы находимся на таком этапе антропогенного влияния на биосферу, когда изменения, вызванные человеком, широко затронули всю оболочку планеты и приняли небывалые по масштабам размеры. Группа американских ученых Д. Х. Медоуз, Д. Л. Медоуз, И. Рэндерс, В. Беренс, а также представители «Римского клуба», используя методы системного анализа, с помощью ЭВМ разработали математическую модель будущего развития биосферы как мировой системы по пяти 240 основным параметрам: население, производство продуктов питания, промышленное производство, загрязнение окружающей среды, невозобновляемые природные ресурсы. Авторы модели пришли к выводу о том, что если темпы народонаселения, экономики, скорости истощения природных ресурсов будут увеличиваться в таких же масштабах, то к 20202040 гг. человечество окажется на пороге гибели в результате разрушения природной среды. Иными словами, деградация биосферы представляет ныне прямую угрозу нашей цивилизации, поскольку пределы возможных нагрузок уже достигнуты. Современной экологической наукой доказано, что биота сама способна регулировать и стабилизировать окружающую природную среду. Реагируя на внешние возмущения сильными обратными связями, что аналогично действию принципа Ла Шателье Брауна в термодинамике, биота возвращает окружающую природную среду к прежнему состоянию. Однако такая реакция биоты возможна лишь до определенного предела. В случае превышения хозяйственной или несущей емкости биосферы, биота, как утверждают В. И. Данилов-Данильян и К. С. Лосев (1996), сама становится «источником загрязнения». Сохраняющаяся естественная часть продолжает компенсировать возмущение, однако подобной компенсации уже недостаточно для возвращения природной среды в исходное состояние. При решении важнейшей задачи современности выходу из экологического кризиса, приоритетное значение имеют следующие экологические проблемы (применительно к основным компонентам биосферы), рассмотренные нами в главах 1218: в атмосфере высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха городов и промышленных центров; неблагоприятное влияние загрязнителей (поллютантов) атмосферы на человеческий организм, животных, состояние растений и экосистем; возможное потепление климата («парниковый эффект»); риск нарушения озонового слоя; выпадение кислотных дождей и закисление природных сред за счет антропогенного распространения диоксида серы и оксидов азота; фотохимический смог; в гидросфере все возрастающее загрязнение пресноводных и морских экосистем; рост объемов сточных вод; антропогенная эвтрофикация водоемов, вызванная биогенами; загрязнение Мирового океана; снижение биологической продуктивности водных экосистем; возникновение мутагенеза и канцерогенеза в загрязненных водных средах; истощение запасов пресных подземных вод; прогрессирующее снижение минимально допустимого стока поверхностных вод; обмеление (исчезновение) и загрязнение малых рек; сокращение и высыхание внутренних водоемов; негативные последствия зарегулирования стока рек для гидробионтов; негативные экологические последствия создания крупных равнинных водохранилищ; в литосфере опустынивание, из-за неправильного использования земель; расширение площади антропогенных пустынь; ветровая и водная эрозия почв; загрязнение почв пестицидами, нитратами и другими вредными веществами; снижение плодородия почв до критического уровня; заболачивание и вторичное засоление; отторжение земель для строительства и других целей; активизация оползней, карста, селей, подтопления, мерзлотных и других неблагоприятных геологических процессов, негативные изменения природных экосистем при освоении недр (нарушения рельефа, выбросы пыли и газа, сдвижение и осадка горных пород и др.); безвозвратные потери огромного количества минерального сырья; повышение стоимости и дефицитности важнейших минеральных ресурсов; в биотических сообществах снижение биологического разнообразия планеты; потеря регуляторных функций живой природы на всех уровнях; деградация генофонда биосферы; сокращение площади лесов, уничтожение влажно-тропических лесов на огромных площадях; лесные пожары и выжигание растительности; изменение альбедо земной поверхности; сокращение и исчезновение многих видов сосудистых растений, сокращение численности и вымирание отдельных видов животных; в среде обитания (в целом) рост объемов производственных и бытовых отходов, в том 241 числе наиболее опасных радиоактивных, диоксинсодержащих и др.; низкий уровень безопасности их хранения; увеличение радиологической нагрузки на биосферу в связи с развитием ядерной энергетики; негативные физиологические последствия для живых организмов, вызванные физическими (шум, электромагнитные излучения и др.) и биологическими (бактерии, вирусы и др.) воздействиями; преднамеренное воздействие человека на природную среду в военных целях (экоцид); стремительный рост числа крупных техногенных аварий и катастроф на энергетических, химических, транспортных и других объектах, в связи с увеличением концентрации производства, высокой степенью износа машин и оборудования и т. д.; дестабилизация экологической обстановки; огромное число человеческих жертв, вызванных стихийными природными бедствиями (землетрясениями, наводнениями, засухами и т. д.), вероятность которых увеличивается по мере снижения устойчивости биосферы и возможных климатических изменений антропогенного характера. В целом все возрастающее антропогенное воздействие на биосферу и как следствие резкое ухудшение качества среды обитания человека, состояния биоты и экосистем; одностороннее изменение концентрации биогенов (углерода, азота, фосфора) и нарушения их основных циклов; нарушение экологической стабильности и нормального функционирования основных систем жизнеобеспечения Земли; экологический коллапс, т. е. угрожающее жизни Земли состояние. В России, в связи со спадом промышленного производства в последние годы, отмечается некоторое сокращение антропогенной нагрузки на окружающую природную среду. Однако одновременно прослеживается и снижение капитальных вложений в объекты природоохранного назначения. Отметим также, что, по оценке ведущих ученых, «тот поток загрязнений, который принимет сегодня наша природа, превосходит ассимиляционный потенциал экосистем в наиболее развитых и заселенных районах нашей страны, так что экологическая ситуация в них не улучшается… наше экологическое положение существенно хуже, чем восемь или десять лет назад» (Данилов-Данильян, 1999). На Всероссийской конференции по экологической безопасности 45 июня 2002 г. в Москве было отмечено, что состояние экологической безопасности России вызывает тревогу. Экологическая ситуация в России становится препятствием на пути устойчивого социально-экономического развития страны. По мнению ведущих специалистов-экологов (В. В. Куценко и др.), цена современного экологического неблагополучия России ежегодная смерть сотен тысяч россиян, заболевания раком и астмой, врожденные уродства, замедление умственного развития и другие экологозависимые заболевания. Контрольные вопросы 1. Какие территории относят к зонам чрезвычайной экологической опасности? 2. Почему любые военные действия дестабилизируют экологическую обстановку? 3. Что означает термин «экоцид» и когда впервые он введен? 4. Чем обусловлен стремительный рост числа крупных технических аварий и катастроф в последние десятилетия? 5. Какая экологическая катастрофа технического характера является самой крупной в истории человечества? 6. Что вы знаете о техногенных авариях в Челябинской области (1957), в Бхопале (Индия, 1984), в Севезо (Италия,1976)? 7. К каким экологическим последствиям приводят стихийные бедствия? Приведите примеры. 8. Есть ли взаимосвязь между стихийными бедствиями и техногенными катастрофами? 9. Увеличивается ли вероятность природных стихийных бедствий по мере снижения устойчивости биосферы и почему? 242 РАЗДЕЛ V. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ГЛАВА 19. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРИРОДЫ И ОБЩЕСТВА НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ 19.1. ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИРОДЫ И ОБЩЕСТВА В истории формирования природоохранной деятельности можно выделить следующие основные формы взаимодействия природы и общества: видовая и заповедная охрана природы поресурсная охрана охрана природы рациональное использование природных ресурсов охрана cреды обитания человека охрана окружающей cреды. Соответственно расширялось и углублялось само понятие природоохранной деятельности. Охрана природы cовокупность государственных и общественных мероприятий, направленных на сохранение атмосферы, растительности и животного мира, почв, вод и земных недр. Интенсивная эксплуатация природных богатств привела к необходимости нового вида природоохранной деятельности рационального использования природных ресурсов, при котором требования охраны включаются в сам процесс хозяйственной деятельности по использованию природных ресурсов (Петров, 1990). На рубеже 50-х гг. ХХ в. возникает еще одна форма охраны охрана среды обитания человека. Это понятие, близкое по смыслу к охране природы, в центр внимания ставит человека, сохранение и формирование таких природных условий, которые наиболее благоприятны для его жизни, здоровья и благосостояния. Охрана окружающей среды новая форма во взаимодействии человека и природы, рожденная в современных условиях, она представляет систему государственных и общественных мер (технологических, экономических, административно-правовых, просветительных, международных), направленных на гармоничное взаимодействие общества и природы, сохранение и воспроизводство действующих экологических сообществ и природных ресурсов во имя живущих и будущих поколений. Очень близок по содержанию и объему к этому понятию принятый рядом авторов термин «охрана биосферы». Охрана биосферы это система мероприятий, проводимых на национальном и международном уровнях и направленных на устранение нежелательного антропогенного или стихийного влияния на функционально взаимосвязанные блоки биосферы (атмосферу, гидросферу, почвенный покров, литосферу, сферу органической жизни), на поддержание выработавшейся эволюционно ее организованности и обеспечения нормального функционирования. Охрана окружающей среды тесно связана с природопользованием одним из разделов прикладной экологии. Природопользование общественно-производственная деятельность, направленная на удовлетворение материальных и культурных потребностей общества путем использования различных видов природных ресурсов и природных условий. По Н. Ф. Реймерсу (1992), природопользование включает в себя: а) охрану, возобновление и воспроизводство природных ресурсов, их извлечение и переработку; б) использование и охрану природных условий среды жизни человека; в) сохранение, восстановление и рациональное изменение экологического равновесия природных систем; г) регуляцию воспроизводства человека и численности людей. Природопользование может быть нерациональным и рациональным. Нерациональное природопользование не обеспечивает сохранение природно-ресурсного потенциала, ведет к оскуднению и ухудшению качества природной среды, сопровождается загрязнением и истощением природных систем, нарушением экологического равновесия и разрушением экосистем. 243 Рациональное природопользование означает комплексное научно-обоснованное использование природных богатств, при котором достигается максимально возможное сохранение природноресурсного потенциала, при минимальном нарушении способности экосистем к саморегуляции и самовосстановлению. По Ю. Одуму (1975), рациональное природопользование преследует следующие основные цели: обеспечить такое состояние окружающей среды, при котором она смогла бы удовлетворить наряду с материальными потребностями запросы эстетики и отдыха; обеспечить возможность непрерывного получения урожая полезных растений, производства животных и различных материалов путем установления сбалансированного цикла использования и возобновления. В нынешний, современный этап развития проблемы охраны окружающей среды рождается новое понятие экологическая безопасность, под которой понимается состояние защищенности природной среды и жизненно важных экологических интересов человека, прежде всего его прав на благоприятную окружающую среду. Научной основой всех мероприятий по охране окружающей среды и рациональному природопользованию служит теоретическая экология, важнейшие принципы которой ориентированы на поддержание гомеостаза экосистем и на сохранение экзистенционного потенциала. Экосистемы имеют следующие предельные границы такой экзистенции (существования, функционирования), которые необходимо учитывать при антропогенном воздействии (Сайко, 1985): предел антропотолетарности устойчивости к негативному антропогенному воздействию, например, влиянию пестицидов, вредному для млекопитающих и орнитофауны и т. п.; предел стохетолерантности устойчивости против стихийных бедствий, например, действия на лесные экосистемы ураганных ветров, снежных лавин, оползней и др.; предел гомеостаза способности к саморегуляции; предел потенциальной регенеративности, т. е. способности к самовосстановлению. Экологически обоснованное рациональное природопользование должно заключаться в максимально возможном повышении этих пределов и достижении высокой продуктивности всех звеньев трофических цепей природных экосистем. Другими словами, экологически сбалансированное природопользование возможно лишь при использовании «экосистемного подхода, учитывающего все виды взаимосвязей и взаимовлияний между средами, экоценозами и человеком» (Борозин, Цитцер, 1996). Нерациональное природопользование в конечном счете ведет к экологическому кризису, а экологически сбалансированное природопользование создает предпосылки для выхода из него. 19.2. ВАЖНЕЙШИЕ ПРИРОДООХРАННЫЕ ПРИНЦИПЫ И ОБЪЕКТЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Всеобщие взаимосвязи и взаимозависимости, объективно существующие как в самой природе, так и при взаимодействии с обществом, определяют основные принципы охраны окружающей природной среды и рационального природопользования. Соблюдение этих принципов необходимо при выполнении любой хозяйственной и иной деятельности, оказывающей воздействие на экологические сообщества и природные ресурсы. Согласно ст. 3 Федерального закона «Об охране окружающей среды» (2002) к их числу относятся: соблюдение права человека на благоприятную окружающую среду; охрана, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов как необходимые условия обеспечения благоприятной окружающей среды и экологической безопасности; научно обоснованное сочетание экологических, экономических и социальных интересов человека, общества и государства в условиях обеспечения устойчивого развития и 244 благоприятной окружающей среды; презумпция экологической опасности планируемой хозяйственной деятельности; обязательность оценки воздействия на окружающую среду при принятии решений об осуществлении хозяйственной деятельности; обязательность проведения государственной экологической экспертизы проектной и иной документации в случае возможного негативного воздействия планируемой хозяйственной и иной деятельности; приоритет сохранения естественных экологических систем, природных ландшафтов и комплексов; сохранение биологического разнообразия. Наиболее общим принципом, или правилом, охраны окружающей среды необходимо считать следующий (Реймерс, 1994): глобальный исходный природно-ресурсный потенциал в ходе исторического развития непрерывно истощается, что требует от человечества научно-технического совершенствования, направленного на более широкое и полное использование этого потенциала. Из этого правила следует другой основополагающий принцип охраны природы и среды жизни: «экологичное экономично», т. е. чем рачительнее подход к природным ресурсам и среде обитания, тем меньше требуется энергетических и других затрат. Воспроизводство природно-ресурсного потенциала и усилия на его воплощение должны быть сопоставимы с экономическими результатами эксплуатации природы. Еще одно важнейшее экологическое правило все компоненты природной среды атмосферный воздух, воды, почву и др. охранять надо не по отдельности, а в целом, как единые природные экосистемы биосферы. Только при таком экологическом подходе возможно обеспечить сохранение ландшафтов, недр, генофонда животных и растений. Важнейшим природоохранным принципом является и научно обоснованное сочетание экологических и экономических интересов, что отвечает духу международной конференции ООН в Рио-де-Жанейро (1992), где был взят курс на модель устойчивого развития общества, на разумное сочетание экологической и экономической составляющих, на сохранение окружающей природной среды наряду, вместе с экономическим ростом. Объектами охраны окружающей среды от загрязнения, истощения, деградации, порчи, уничтожения и иного негативного воздействия являются земли, недра, почвы, поверхностные и подземные воды, леса и иная растительность, животные и другие организмы и их генетический фонд, атмосферный воздух, озоновый слой атмосферы и околоземное космическое пространство (ст. 4 Федерального закона «Об охране окружающей среды» 2002 г.). Особой охране подлежат государственные природные заповедники, национальные и дендрологические парки, ботанические сады, места традиционного проживания коренных малочисленных народов, континентальные шельфы и некоторые другие объекты. Природным законодательством определяется, что в первоочередном порядке охране подлежат естественные экологические системы, природные ландшафты и комплексы, не подвергающиеся антропогенному воздействию. 19.3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС И ПУТИ ВЫХОДА ИЗ НЕГО Экологический кризис это такая стадия взаимодействия между обществом и природой, на которой до предела обостряются противоречия между экономикой и экологией, а возможности сохранения потенциального гомеостаза, т. е. способности саморегуляции экосистем в условиях антропогенного воздействия, серьезно подорваны. Экологический кризис не является неизбежным и закономерным порождением научнотехнического прогресса, он обусловлен как у нас в стране, так и в других странах мира комплексом причин объективного и субъективного характера, среди которых не последнее место занимают потребительское, а нередко и хищническое отношение к природе, пренебрежение фундаментальными 245 экологическими законами. Выход из глобального экологического кризиса важнейшая научная и практическая проблема современности. Над ее решением работают тысячи ученых, политиков, специалистов-практиков во всех странах мира. Задача заключается в разработке комплекса надежных антикризисных мер, позволяющих активно противодействовать дальнейшей деградации природной среды и выйти на устойчивое развитие общества. Попытки решения этой проблемы только одними какими-либо средствами, например, технологическими (очистные сооружения, безотходные технологии и т. д.), принципиально неверны и не приведут к необходимым результатам. Преодоление экологического кризиса возможно лишь при условии гармоничного развития природы и человека, снятии антагонизма между ними. Это достижимо лишь на основе реализации «триединства естественной природы, общества и природы очеловеченной» (Жданов, 1995) на путях устойчивого развития общества (Конференция ООН, Рио-де-Жанейро, 1992 г.), комплексного подхода к решению природоохранных проблем. Анализ как экологической, так и социально-экономической обстановки в России позволяет выделить пять основных направлений, по которым Россия должна выходить из экологического кризиса (Петров, 1995, рис. 19.1). При этом необходим комплексный подход в решении этой проблемы, т. е. одновременно должны использоваться все пять направлений. Рис. 19.1. Пути выхода России из экологического кризиса (по В. В. Петрову, 1995) В качестве первого направления названо совершенствование технологии создание экологически чистой технологии, внедрение безотходных, малоотходных производств, обновление основных фондов и др. Второе направление развитие и совершенствование экономического механизма охраны окружающей среды. Третье направление применение мер административного пресечения и мер юридической ответственности за экологические правонарушения (административно-правовое направление). Четвертое направление гармонизация экологического мышления (эколого-просветительское направление). Пятое направление гармонизация экологических международных отношений (международно-правое направление). 246 Определенные шаги по выходу из экологического кризиса по всем указанным выше пяти направлениям в России предпринимаются, однако впереди всем нам предстоит пройти самые трудные и ответственные участки пути. Они-то и решат, выйдет ли Россия из экологического кризиса или погибнет, погрузившись в пучину экологического невежества и нежелания руководствоваться фундаментальными законами развития биосферы и вытекающими из них ограничениями. Контрольные вопросы 1. Какой смысл вкладывается в понятие «охрана окружающей среды»? 2. Чем отличается рациональное природопользование от нерационального? 3. Что понимают под «экологической безопасностью»? 4. Каковы общие принципы и правила охраны окружающей среды? 5. Назовите основные направления, по которым Россия должна выходить из экологического кризиса. 247 ГЛАВА 20. ИНЖЕНЕРНАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА 20.1. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ Основные направления инженерной экологической защиты от загрязнения и других видов антроогенных воздействий внедрение ресурсосберегающей, безотходной и малоотходной технологии, биотехнология, утилизация и детоксикация отходов и главное экологизация всего производства, при котором обеспечивалось бы включение всех видов взаимодействия с окружающей средой в естественные циклы круговорота веществ. Эти принципиальные направления основаны на цикличности материальных ресурсов и заимствованы у природы, где, как известно, действуют замкнутые циклические процессы. Технологические процессы, в которых в полной мере учитываются все взаимодействия с окружающей средой и приняты меры к предотвращению отрицательных последствий, называют экологизированными. Подобно любой экологической системе, где вещество и энергия расходуются экономно и отходы одних организмов служат важным условием существования других, производственный экологизированный процесс, управляемый человеком, должен следовать биосферным законам и в первую очередь закону круговорота веществ. Другой путь, например, создание всевозможных, даже самых совершенных очистных сооружений, не решает проблему, так как это борьба со следствием, а не с причиной. Основная причина загрязнения биосферы это ресурсоемкие и загрязняющие технологии переработки и использования сырья. Именно эти, так называемые традиционные технологии приводят к огромному накоплению отходов и к необходимости очистки сточных вод и утилизации твердых отходов. Достаточно отметить, что ежегодное накопление на территории бывшего СССР в 80-х гг. составляло 1215 млрд т твердых отходов, около 160 млрд т жидких и свыше 100 млн т газообразных отходов. Малоотходная и безотходная технологии и их роль в защите среды обитания Принципиально новый подход к развитию всего промышленного и сельскохозяйственного производства создание малоотходной и безотходной технологии. Понятие безотходной технологии, в соответствии с Декларацией Европейской экономической комиссии ООН (1979), означает практическое применение знаний, методов и средств с тем, чтобы в рамках потребностей человека обеспечить наиболее рациональное использование природных ресурсов и защитить окружающую среду. В 1984 г. эта же комиссия ООН приняла более конкретное определение данного понятия: «Безотходная технология это такой способ производства продукции (процесс, предприятие, территориально-производственный комплекс), при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье и энергия в цикле сырьевые ресурсы производство потребитель вторичные ресурсы таким образом, что любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования». Под безотходной технологией понимают также такой способ производства, который обеспечивает максимально полное использование перерабатываемого сырья и образующихся при этом отходов. Более точным, чем «безотходная технология», следует считать термин «малоотходная технология», так как в принципе «безотходная технология» невозможна, ибо любая человеческая технология не может не производить отходы, хотя бы в виде энергии. Достижение полной безотходности нереально (Реймерс, 1990), поскольку противоречит второму началу термодинамики, поэтому термин «безотходная технология» условен (метафоричен). Технологию, позволяющую получить минимум твердых, жидких и газообразных отходов, называют малоотходной и на современном этапе развития научно-технического прогресса она 248 является наиболее реальной. Огромное значение для снижения уровня загрязнения окружающей среды, экономии сырья и энергии имеет повторное использование материальных ресурсов, т. е. рециркуляция. Так, производство алюминия из металлолома требует всего 5% энергозатрат от выплавки из бокситов, причем переплав 1 т вторичного сырья экономит 4 т бокситов и 700 кг кокса, снижая одновременно на 35 кг выбросы фтористых соединений в атмосферу (Вронский, 1996). В комплекс мероприятий по сокращению до минимума количества вредных отходов и уменьшения их воздействия на окружающую природную среду по рекомендации различных авторов входят: разработка различных типов бессточных технологических систем и водооборотных циклов на основе очистки сточных вод; разработка систем переработки отходов производства во вторичные материальные ресурсы; создание и выпуск новых видов продукции с учетом требований повторного ее использования; создание принципиально новых производственных процессов, позволяющих исключить или сократить технологические стадии, на которых происходит образование отходов. Начальным этапом этих комплексных мероприятий, нацеленных на создание в перспективе безотходных технологий, является внедрение оборотных, вплоть до полностью замкнутых, систем водопользования. Оборотное водоснабжение это техническая система, при которой предусмотрено многократное использование в производстве отработанных вод (после их очистки и обработки) при очень ограниченном их сбросе (до 3%) в водоемы (рис. 20.1, по Иванову, 1991). Рис. 20.1. Схема оборотного промышленного и городского водоснабжения: 1 цех; 2 внутрицеховое оборотное водоснабжение; 3 локальное (цеховое) очистное сооружение, включая утилизацию вторичных отходов; 4 общезаводские очистные сооружения; 5 город; 6 городские очистные канализационные сооружения; 7 третичные очистные сооружения; 8 закачка очищенных сточных вод в подземные источники; 9 подача очищенных вод в городскую систему водоснабжения; 10 рассеивающий выпуск сточных вод в водоем (море) Замкнутый цикл водопользования это система промышленного водоснабжения и водоотведения, в которой многократное использование воды в одном и том же производственном 249 процессе осуществляется без сброса сточных и других вод в природные водоемы. Одним из важнейших направлений в области создания безотходных и малоотходных производств является переход на новую экологическую технологию с заменой водоемких процессов безводными или маловодными. Прогрессивность новых технологических схем водоснабжения определяется тем, насколько в них уменьшилось, по сравнению с ранее действующими, водопотребление и количество сточных вод и их загрязненность. Наличие большого количества сточных вод на промышленном объекте считается объективным показателем несовершенства используемых технологических схем. Разработка безотходных и безводных технологических процессов наиболее рациональный способ защиты окружающей среды от загрязнения, позволяющий значительно уменьшить антропогенную нагрузку. Однако исследования в этом направлении еще только разворачиваются, поэтому в различных областях промышленности и сельского хозяйства уровень экологизации производства далеко не одинаков. В настоящее время в нашей стране достигнуты определенные успехи в разработке и внедрении элементов экологически безопасной технологии в ряде отраслей черной и цветной металлургии, теплоэнергетики, машиностроения, химической промышленности. Однако полный перевод промышленного и сельскохозяйственного производства на безотходную и безводную технологии и создание полностью экологизированных производств сопряжены с весьма сложными проблемами различного характера организационными, научно-техническими, финансовыми и другими и поэтому современное производство еще долгое время будет потреблять для своих нужд огромное количество воды, иметь отходы и вредные выбросы. Биотехнология в охране окружающей среды В последние годы в экологической науке все больший интерес проявляется к биотехнологическим процессам, основанным на создании необходимых для человека продуктов, явлений и эффектов с помощью микроорганизмов. Применительно к охране окружающей человека природной среды биотехнологию можно рассматривать как разработку и создание биологических объектов, микробных культур, сообществ, их метаболитов и препаратов, путем включения их в естественные круговороты веществ, элементов, энергии и информации (В. П. Журавлев и др., 1995). Биотехнология нашла широкое применение в охране окружающей среды, в частности, при решении следующих прикладных вопросов: утилизации твердой фазы сточных вод и твердых бытовых отходов с помощью анаэробного сбраживания; биологической очистки природных и сточных вод от органических и неорганических соединений; микробном восстановлении загрязненных почв, получении микроорганизмов, способных нейтрализовать тяжелые металлы в осадках сточных вод; компостировании (биологическом окислении) отходов растительности (опад листьев, соломы и др.); создании биологически активного сорбирующего материала для очистки загрязненного воздуха. 20.2. НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Под качеством окружающей среды понимают степень соответствия ее характеристик потребностям людей и технологическим требованиям. В основу всех природоохранных мероприятий положен принцип нормирования качества окружающей среды. Этот термин означает установление нормативов (показателей) предельно допустимых воздействий человека на окружающую среду. 250 Соблюдение экологических нормативов, т. е. нормативов, которые определяют качество окружающей среды, обеспечивает: экологическую безопасность населения; сохранение генетического фонда человека, растений и животных; рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов в условиях устойчивого развития. Чем меньше пороговая величина экологических нормативов, тем выше качество окружающей среды. Однако более высокое качество требует, соответственно, больших затрат, эффективных технологий и высокочувствительных средств контроля. Поэтому нормативы качества окружающей среды по мере подъема уровня развития общества имеют тенденцию к ужесточению. Основные экологические нормативы качества и воздействия на окружающую среду: санитарно-гигиенические: предельно допустимая концентрация вредных веществ (ПДК); допустимый уровень физических воздействий (шума, вибрации, излучений и др.); производственно-хозяйственные: допустимый выброс вредных веществ; допустимое изъятие компонентов природной среды; допустимый сброс вредных веществ; норматив образования отходов производства и потребления; допустимая антропогенная нагрузка на окружающую среду; экологическая емкость территории. Предельно допустимые концентрации (ПДК) это такие концентрации вредного вещества в почве, воздушной и водной среде, которые не оказывают негативного воздействия на здоровье человека и его потомство. В последнее время при определении ПДК учитывается не только степень влияния загрязнения на здоровье человека, но и воздействие этих загрязнений на диких животных, растения, грибы, микроорганизмы, а также на природные сообщества в целом. В настоящее время в нашей стране действует более 1900 ПДК вредных химических веществ для водоемов, более 500 для атмосферного воздуха и более 130 для почв. ПДК устанавливаются на основании комплексных исследований и постоянно контролируются органами гидрометеорологической службы Госкомсанэпиднадзора. ПДК не остаются постоянными, их периодически пересматривают и уточняют. После утверждения норматив становится юридически обязательным. Для нормирования содержания вредного вещества в атмосферном воздухе установлены два норматива разовый и среднесуточный ПДК. Максимально разовая предельно допустимая концентрация (ПДК м. р.) это такая концентрация вредного вещества в воздухе, которая не должна вызывать при вдыхании его в течение 30 мин. рефлекторных реакций в организме человека (ощущение запаха, изменение световой чувствительности глаз и др). Среднесуточная предельно допустимая концентрация (ПДК с. с.) это такая концентрация вредного вещества в воздухе, которая не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия при неопределенно долгом (годы) воздействии. Значения ПДК наиболее часто встречающихся загрязнителей атмосферного воздуха представлены в табл. 20.1. Таблица 20.1 Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов, мг/м3 251 При содержании в воздухе нескольких загрязняющих веществ, обладающих суммацией действия (синергизмом), например, диоксидов серы и азота; озона и формальдегида, сумма их концентраций не должна превышать при расчете единицы: где С1, С2, … , Сn фактические концентрации вредных веществ в воздухе или воде; ПДК1, ПДК2… ПДКn максимально разовые предельно допустимые концентрации вредных веществ, которые установлены для их изолированного присутствия, мг/м3. Под предельно допустимой концентрацией вредного вещества в почве (ПДК, мг/кг) понимают такую максимальную концентрацию, которая не может вызвать прямого или косвенного влияния на среду, нарушить самоочищающую способность почвы и оказать отрицательное воздействие на здоровье человека (Защита окружающей…, 1993). Для водной среды ПДК загрязняющих веществ означает такую концентрацию этих веществ в воде, выше которой она становится непригодной для одного или нескольких видов водопользования. ПДК загрязняющих веществ устанавливаются отдельно для питьевых вод (табл. 20.2) и рыбохозяйственных водоемов. Таблица 20.2 Предельно допустимые концентрации вредных веществ в питьевых водах, мг/л 252 Требования к качеству воды в водоемах, используемых для рыбохозяйственных целей, специфичны и в большинстве случаев более жестки, чем таковые для водных объектов хозяйственнобытового назначения. Так, рыбохозяйственные ПДК ряда моющих веществ в три раза ниже санитарных норм, нефтепродуктов в шесть раз, а тяжелых металлов (цинка) даже в сто раз (К. П. Митрюшкин и др., 1987). Объяснить это ужесточение требованй к качеству воды в рыбохозяйственных водоемах нетрудно, если вспомнить, что при переходе вредных веществ по пищевой (трофической) цепи происходит их биологическое накопление до опасных для жизни количеств. Допустимый уровень радиационного воздействия на окружающую среду это уровень, который не представляет опасности для здоровья человека, состояния животных, растений, их генетического фонда. Определяется он на основании норм радиационной безопасности (НРБ-76/87), основных санитарных правил (ОСП-72/87) и санитарных норм проектирования СН-254-71. Установлены также допустимые уровни воздействия шума, вибрации, магнитных полей и иных вредных физических воздействий. Допустимый выброс, или сброс, это максимальное количество загрязняющих веществ, которое в единицу времени может быть выброшено данным конкретным предприятием в атмосферу или сброшено в водоем, не вызывая при этом превышения в них предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ и неблагоприятных экологических последствий. Нормативами установлено, что если в воздухе городов или других населенных пунктов, где расположены предприятия, концентрации вредных веществ превышают ПДК, а значения допустимых выбросов по объективным причинам не могут быть достигнуты, вводится поэтапное снижение выброса вредных веществ до значений, обеспечивающих ПДК. При этом могут быть установлены временно согласованные выбросы (ВСВ) на уровне выбросов предприятий с наиболее совершенной или аналогичной ей технологией. К началу 1988 г. в бывшем СССР были установлены допустимые выбросы более чем для 20 тыс. предприятий. В настоящее время в России на нормативах допустимых выбросов работают лишь 253 1520% загрязняющих производств, на ВСВ (временно согласованных выбросах вредных веществ) 4050%, а остальные загрязняют среду на основе лимитных выбросов и сбросов, которые определяют по фактическому выбросу на определенном отрезке времени. Основным комплексным нормативом качества окружающей среды является предельно допустимая норма антропогенной нагрузки. Допустимые нормы нагрузки на природную среду это максимально возможные антропогенные воздействия на природные ресурсы или комплексы, не приводящие к нарушению устойчивости экологических систем. Для оценки общей устойчивости экосистем к антропогенным воздействиям используют следующие показатели: 1) запасы живого и мертвого органического вещества; 2) эффективность образования органического вещества или продукции растительного покрова и 3) видовое и структурное разнообразие (Государств. доклад…, 1994). Ученые-экологи установили, что стабильность среды обитания не только растительности, но и животного мира, а в конечном счете и человека определяется в первую очередь массой живого органического вещества и его основной части фитомассы (древесина, травянистая растительность и др.). Чем значительнее эта масса, тем стабильнее среда. Главенствующее значение при этом имеют фотосинтезирующие организмы, так как они являются основным источником биомассы, а также определяют пищевые условия для всех остальных звеньев экосистемы и в значительной мере состав атмосферного воздуха. Способность экосистем в минимальные сроки восстановиться в случае антропогенного нарушения определяется другим показателем эффективностью образования продукции растительного покрова в результате вторичной сукцессии. Чем выше структурное и видовое разнообразие экосистем, тем большее число комбинаций структурных элементов может создать она в ответ на внешнее антропогенное воздействие. Структурное разнообразие экосистемы можно оценить, сравнивая запасы фитомассы (древесина, травянистая растительности и др.) и зоомассы (хищники, копытные, грызуны и т. д.). Потенциальная способность природной среды перенести ту или иную антропогенную нагрузку без нарушения основных функций экосистем определяется термином «емкость природной среды», или экологическая емкость территории. Понятие о предельно допустимой антропогенной нагрузке на природную среду, по мнению П. Г. Олдака (1983), должно лежать в основе всего природопользования. В связи с этим он различает экстенсивное и равновесное природопользование. Экстенсивное (расширяющееся) природопользование когда рост производства осуществляется за счет возрастающей нагрузки на природные комплексы, причем эта нагрузка растет быстрее, чем увеличивается масштаб производства; равновесное природопользование когда общество контролирует все стороны своего развития, добиваясь того, чтобы совокупная антропогенная нагрузка на среду не превышала самовосстановительного потенциала природных систем. Отсюда вытекает важный вывод о том, что регулирование качества природной среды должно начинаться с определения нагрузок, допустимых с экологической точки зрения, а региональное природопользование должно соответствовать экологической «выносливости» территории. Пренебрежение основным экологическим комплексом нормативов в инженерно-хозяйственной практике чревато серьезными экологическими просчетами. В 1990 г. тогдашний руководитель Госкомприроды Н. Н. Воронцов сетовал на то, что «такие понятия, как экологическая емкость территории, вообще не использовались до недавних пор. Есть, скажем, в Донбассе залежи угля? Есть неподалеку руды Кривого Рога? Будем наращивать там металлургию на донецких углях, не разбирая, выдержит земля и люди или нет». И далее он отмечал: «Конечно же, нужно улучшить фильтры пылеи газоуловителей, очищать сточные воды. Но не было у нас до сих пор главного идеологии ресурсосбережения, определения экологической емкости, биосферного подхода». При формировании территориально-производственных комплексов, развитии промышленности, строительства, реконструкции городов и т. д., применение допустимых норм антропогенной нагрузки 254 предусматривается ныне в обязательном порядке. Региональные нормы устанавливают предельную хозяйственную нагрузку на территориальные природные комплексы. Отраслевые на отдельные виды природных ресурсов, например, предельное число домашнего скота на единицу пастбищных угодий, предельное число посетителей в национальном парке и т. д. 20.3. ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ Для защиты воздушного бассейна от негативного антропогенного воздействия в виде загрязнения его вредными веществами используют следующие меры: экологизацию технологических процессов; очистку газовых выбросов от вредных примесей; рассеивание газовых выбросов в атмосфере; устройство санитарно-защитных зон, архитектурно-планировочные решения и др. Наиболее радикальная мера охраны воздушного бассейна от загрязнения экологизация технологических процессов и в первую очередь создание замкнутых технологических циклов, безотходных и малоотходных технологий, исключающих попадание в атмосферу вредных загрязняющих веществ. Экологизация технологических процессов предусматривает, в частности, создание непрерывных технологических процессов производства, замену местных котельных установок на централизованное тепло, предварительное очищение топлива и сырья от вредных примесей, замену угля и мазута на природный газ, применение гидрообеспыливания, перевод на электропривод компрессоров, сваебойных агрегатов, насосов и др. Все шире применяют частичную рециркуляцию, т. е. повторное использование отходящих газов. Учитывая исключительную актуальность охраны атмосферного воздуха от загрязнения отработанными газами (ОГ) автомобилей, первоочередной проблемой является создание экологически «чистых» видов транспорта. В настоящее время ведется активный поиск более «чистого» топлива, чем бензин. В качестве его заменителя рассматриваются экологически чистое газовое топливо, метиловый спирт (метанол), малотоксичный аммиак и идеальное топливо водород. Продолжаются интенсивные разработки по замене карбюраторного двигателя на более экологичные типы дизельный, паровой, газотурбинный и др. В опытно-конструкторских бюро созданы пробные модели автомобилей, работающих на энергии электрических аккумуляторов в черте города, а за его пределами переходящих на работу на обычных карбюраторных двигателях. Продолжаются работы по созданию идеального с точки зрения экологических требований вида транспорта автомобиля на солнечных элементах. К сожалению, нынешний уровень развития экологизации технологических процессов, внедрения замкнутых технологических циклов и т. д. недостаточен для полного предотвращения выбросов токсичных веществ в атмосферу. Поэтому на предприятиях повсеместно используются различные методы очистки отходящих газов от аэрозолей (пыли, золы, сажи) и токсичных газо- и парообразных примесей (NO, NO2, SO2, SO3 и др.). Для очистки выбросов от аэрозолей применяют различные типы устройств в зависимости от степени запыленности воздуха, размеров твердых частиц и требуемого уровня очистки. Сухие пылеуловители (циклоны, пылеосадительные камеры) предназначены для грубой механической очистки выбросов от крупной и тяжелой пыли. Принцип работы оседание частиц под действием центробежных сил и сил тяжести. Пылегазовый поток вводится в циклон через патрубок (рис. 20.2), далее он совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса; частицы пыли отбрасываются к стенкам циклона и затем падают вниз в сборник пыли (бункер), откуда периодически удаляются. Для повышения эффективности работы применяют групповые (батарейные) циклоны. 255 Рис. 20.2. Схема устройства циклона: 1 корпус; 2 входной патрубок; 3 выхлопная труба; 4 сборник пыли Мокрые пылеуловители (скрубберы, турбулентные, газопромыватели и др.) требуют подачи воды и работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность капель под действием сил инерции и броуновского движения. Наибольшее практическое применение получили скрубберы Вентури (рис. 20.3), которые обеспечивают 99% очистки от частиц размером более 2 мкм и как все мокрые пылеуловители незаменимы при очистке от пыли взрывоопасных и горючих газов. Рис. 20.3. Схема устройства скруббера Вентури: 1 труба Вентури; 2 скруббер-каплеуловитель Фильтры (тканевые, зернистые) способны задерживать мелкодисперсные частицы пыли до 0,05 мкм. Особенно эффективны рукавные фильтры с тканями из синтетических волокон повышенной термостойкости (250300 С) типа «сульфон-Т», фильтровальные металлические ткани (до 800 С), а также фильтры из тканей типа ФПП и ФПА, дающие высокую степень очистки (99,9%). Электрофильтры наиболее совершенный способ очистки газов от взвешенных в них частиц пыли размером до 0,01 мкм при высокой эффективности очистки газов (99,099,5%). Принцип работы всех типов электрофильтров основан на ионизации пылегазового потока у поверхности 256 коронирующих электродов. Приобретая отрицательный заряд, пылинки движутся к осадительному электроду, имеющему знак, обратный заряду коронирующего электрода. При встряхивании электродов осажденные частички пыли под действием силы тяжести падают вниз в сборник пыли (рис. 20.4). Электроды требуют большого расхода электроэнергии это их основной недостаток. Рис. 20.4. Схема устройства трехпольного электрофильтра: 1 корпус; 2 электрод осадительный; 3 электрод коронирующий; 4 механизм встряхивания коронирующих электродов; 5 механизм встряхивания осадительных электродов; 6 газораспределительная решетка; 7 сборник пыли; 8 изолятор Наиболее эффективны комбинированные методы очистки от пыли. Например, отличные результаты дает очистка агломерационных газов в батарейных циклонах с последующей доочисткой в скрубберах Вентури, а также в электрофильтрах. (Защита окружающей среды…, 1993). Способы очистки выбросов от токсичных газо- и парообразных примесей (NO, NO2, SO2 и др.) подразделяют на три основные группы: 1) поглощение примесей путем применения каталитического превращения; 2) промывка выбросов растворителями примеси (абсорбционный метод) и 3) поглощение газообразных примесей твердыми телами с ультрамикроскопической структурой (адсорбционный метод). С помощью каталитического метода превращают токсичные компоненты промышленных выбросов в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ, называемых катализаторами. Широко применяют палладийсодержащие и ванадиевые катализаторы. С их помощью происходит каталитическое досжигание оксида углерода до диоксида и диоксида серы до оксида. Возможно также восстановление оксидов азота аммиаком до элементарного азота. Одна из разновидностей этого метода дожигание вредных примесей с помощью газовых горелок (факельное сжигание) широко используется на нефтеперерабатывающих заводах. Абсорбционный метод основан на поглощении вредных газообразных примесей жидким поглотителем (абсорбентом). В качестве абсорбента используют воду, растворы щелочей (соды), аммиака и др. Газообразные цианистые соединения абсорбируют, например, 5%-ным раствором железного купороса. Устройство, в котором осуществляют процесс абсорбции, называют абсорбером. Адсорбционный метод позволяет извлекать вредные компоненты из промышленных выбросов с помощью адсорбентов твердых тел с ультрамикроскопической структурой (активированный уголь и глинозем, силикагель, цеолиты, сланцевая зола и другие вещества). Например, на АЭС широко применяется метод очистки технологических газов путем сорбции радиоактивных продуктов на угольных фильтрах адсорбентах, которые позволяют надежно предотвратить загрязнение 257 атмосферы при всех режимах работы АЭС (Защита окружающей среды…, 1993). Рассеивание газовых примесей в атмосфере. Используют для снижения их опасных концентраций. Как показывает опыт в приземном слое атмосферы вблизи крупных энергетических установок (ТЭЦ, ТЭС, ГРЭС) и других предприятий, концентрация вредных веществ в отходящих газах может превышать предельно допустимые нормы, несмотря на все применяемые меры по очистке газов и экологизацию технологических процессов. С помощью снижения опасных концентраций примесей до уровня, соответствующего ПДК, применяют рассеивание пылегазовых выбросов с помощью высоких дымовых труб. Чем выше труба, тем больше ее рассеивающий эффект. На ряде предприятий высота дымовых труб достигает более 300 м. Так, на медно-никелевом комбинате в г. Садбери (Канада) высота трубы 407 м. Значительную высоту (не менее 100 м) имеют вентиляционные (выбросные) трубы на АЭС для рассеивания радиоактивных выбросов. Следует признать, что рассеивание газовых примесей в атмосфере это далеко не самое лучшее решение проблемы, связанной с загрязнением воздушного бассейна. По мнению Э. Гора (1993), «применение высоких дымовых труб хотя и помогло уменьшить локальное дымовое загрязнение, осложнило в то же время региональные проблемы выпадения кислотных дождей. Чем выше от поверхности земли происходит выброс загрязняющих газов, тем дальше от своего источника они распространяются. То, что было когда-то дымной мглой над Питтсбургом, становилось кислотным снегопадом в Лабрадоре. Примеси, досаждающие лондонцам в виде смога, губят листву в лесах Скандинавии». Рассеивание вредных веществ в атмосфере это временное, вынужденное мероприятие, которое осуществляется при отсутствии надежных методов очистки для того или иного вещества, а также вследствие того, что существующие очистные устройства не обеспечивают полной очистки выбросов от вредных веществ. Защита атмосферного воздуха от вредных выбросов предприятий в значительной степени связана с устройством санитарно-защитных зон и архитектурно-планировочными мероприятиями. Санитарно-защитная зона это полоса, отделяющая источники промышленного загрязнения от жилых или общественных зданий для защиты населения от влияния вредных факторов производства (выбросы пыли и иные виды загрязнения среды). Ширину санитарно-защитных зон устанавливают в зависимости от класса производства, степени вредности и количества выделенных в атмосферу веществ и принимают равной от 50 до 1000 м. Например, для цементных заводов производительностью более 150 тыс. т цемента в год (I класс производства) ширина санитарно-защитной зоны 1000 м, а для предприятий по изготовлению камышита (V класс производства) 50 м. Санитарно-защитная зона должна быть благоустроена и озеленена газоустойчивыми породами деревьев и кустарников, например, акацией белой, тополем канадским, елью колючей, шелковицей, кленом остролистным, вязом листовитым и т. д. Об эффективности озеленения свидетельствуют следующие данные: хвоя одного гектара елового леса улавливает 32 т пыли, листва букового леса 68 т. На расстоянии 500 м от предприятия при отсутствии озеленения загрязнение воздуха SO 2, H2S, и NO2 в два раза ниже, чем у источника загрязнения, а при наличии озеленения в три четыре раза ниже (Гаев и др., 1990). Архитектурно-планировочные мероприятия включают правильное взаимное размещение источников выброса и населенных мест с учетом направления ветров, выбор под застройку промышленного предприятия ровного возвышенного места, хорошо продуваемого ветрами, сооружение автомобильных дорог в обход населенных пунктов и др. Помимо рассмотренных выше мер по защите воздушного бассейна предусматривается также охрана озонового слоя. В Законе РФ «Об охране окружающей среды» (2002 г.) имеется отдельная статья (ст. 54), посвященная этой проблеме, что свидетельствует об исключительной важности ее решения. В комплекс мер по охране озонового слоя от экологически опасных изменений входят: 258 организация наблюдений за изменением озонового слоя под воздействием хозяйственной деятельности и иных процессов; соблюдение нормативов допустимых выбросов веществ, вредно воздействующих на состояние озонового слоя; регулирование производства и использования химических веществ, разрушающих озоновый слой и др. В 1993 г. в нашей стране была создана Межведомственная комиссия, в задачу которой входила координация деятельности различных организаций по выполнению международных обязательств по охране озонового слоя и прекращению выпуска озоноразрушающих веществ. Ведется также интенсивная разработка и внедрение мероприятий по резкому сокращению выбросов соединений серы, оксидов азота и других опаснейших загрязнителей атмосферного воздуха. 20.4. ЗАЩИТА ГИДРОСФЕРЫ Поверхностная гидросфера Поверхностные воды охраняют от засорения, загрязнения и истощения. Для предупреждения засорения принимают меры, исключающие попадание в поверхностные водоемы и реки строительного мусора, твердых отходов, остатков лесосплава и других предметов, негативно влияющих на качество вод, условия обитания рыб и др. Истощение поверхностных вод предотвращают путем строгого контроля за минимально допустимым стоком вод. Важнейшая и наиболее сложная проблема защита поверхностных вод от загрязнения. С этой целью предусматриваются следующие экозащитные мероприятия: развитие безотходных и безводных технологий; внедрение систем оборотного водоснабжения; очистка сточных вод (промышленных, коммунально-бытовых и др.); закачка сточных вод в глубокие водоносные горизонты; очистка и обеззараживание поверхностных вод, используемых для водоснабжения и других целей. Главный загрязнитель поверхностных вод сточные воды, поэтому разработка и внедрение эффективных методов очистки сточных вод представляется весьма актуальной и экологически важной задачей. Наиболее действенным способом защиты поверхностных вод от загрязнения их сточными водами является разработка и внедрение безводной и безотходной технологии производства, начальным этапом которой является создание оборотного водоснабжения. При организации системы оборотного водоснабжения в нее включают ряд очистных сооружений и установок, что позволяет создать замкнутый цикл использования производственных и бытовых сточных вод. При таком способе водоподготовки сточные воды все время находятся в обороте и попадание их в поверхностные водоемы полностью исключено. Ввиду огромного многообразия состава сточных вод существуют различные способы их очистки: механический, физико-химический, химический, биологический и др. В зависимости от степени вредности и характера загрязнений очистка сточных вод может производиться каким-либо одним способом или комплексом методов (комбинированный способ). В процессе очистки предусматривают обработку осадка (или избыточной биомассы) и обеззараживание сточных вод перед сбросом их в водоем. При механической очистке из производственных сточных вод путем процеживания, отстаивания и фильтрования удаляются до 90% нерастворимых механических примесей различной степени дисперсности (песок, глинистые частицы, окалину и др.), а из бытовых сточных вод до 60%. Для этих целей применяют решетки, песколовки, песчаные фильтры, отстойники различных типов (рис. 20.5). Вещества, плавающие на поверхности сточных вод (нефть, смолы, масла, жиры, 259 полимеры и др.), задерживают нефте- и маслоловушками и другого вида уловителями либо выжигают. Рис. 20.5. Схема устройства радиального отстойника: 1 входная труба; 2 отводящая труба; 3 шламосборник; 4 канал вывода шлама; 5 механический скребок Химические и физико-химические методы очистки наиболее эффективны для очистки производственных сточных вод. К основным химическим способам относят нейтрализацию и окисление. В первом случае для нейтрализации кислот и щелочей в сточные воды вводят специальные реагенты (известь, кальцинированную соду, аммиак), во втором различные окислители. С их помощью сточные воды освобождаются от токсичных и других компонентов. При физико-химической очистке используются: коагуляция введение в сточные воды коагулянтов (солей аммония, железа, меди, шламовых отходов и пр.) для образования хлопьевидных осадков, которые затем легко удаляются; сорбция способность некоторых веществ (бентонитовые глины, активированный уголь, цеолиты, силикагель, торф и др.) поглощать загрязнение. Методом сорбции возможно извлечение из сточных вод ценных растворимых веществ и последующая их утилизация; флотация пропуск через сточные воды воздуха. Газовые пузырьки захватывают при движении вверх поверхностно-активные вещества, нефть, масла, другие загрязнения и образуют на поверхности воды легко удаляемый пенообразный слой. Для очистки коммунально-бытовых промстоков целлюлозно-бумажных, нефтеперерабатывающих, пищевых предприятий широко используют биологический (биохимический) метод. Метод основан на способности искусственно вселяемых микроорганизмов использовать для своего развития органические и некоторые неорганические соединения, содержащиеся в сточных водах (сероводород, аммиак, нитриты, сульфиды и т. д.). Очистку ведут с помощью естественных методов (поля орошения, иловые площадки, поля фильтрации, биологические пруды и др.) и искусственных методов (аэротенки, метатенки, биофильтры, циркуляционные окислительные каналы), биологические модули (рис. 20.6) и др. 260 Рис. 20.6. Биологический модуль очистки стока р. Темерника (приток р. Дона, в черте г. Ростова-на-Дону) После осветления сточных вод образуется осадок, который сбраживают в железобетонных резервуарах (метантенках), а затем удаляют на иловые площадки для подсушивания (рис. 20.7). Рис. 20.7. Схема биологической очистки сточных вод: 1 решетка; 2 дробилка; 3 песковатка; 4 песковая площадка; 5 на планировку; 6 иловые площадки; 7 метантенк; 8 первичный отстойник; 9 аэротенк; 261 10 вторичный отстойник; 11 смеситель; 12 хлораторная; 13 контактный резервуар; 14 выпуск Подсушенный осадок обычно используется как удобрение. Однако в последние годы в сточных водах стали обнаруживаться многие вредные вещества (тяжелые металлы и др.), что исключает такой способ утилизации осадков. Осветленная часть сточных вод очищается в аэротенках специальных закрытых резервуарах, по которым медленно пропускают стоки, обогащенные кислородом и смешанные с активным илом. Активный ил представляет собой совокупность гетеротрофных микроорганизмов и мелких беспозвоночных животных (плесени, дрожжей, водных грибов, коловраток и др.), а также твердого субстрата. Важно правильно подбирать температуру, рН, добавки, условия перемешивания, окислитель (кислород), чтобы в максимальной степени способствовать интенсификации гидробиоценоза, составляющего активный ил. После вторичного отстаивания сточные воды обеззараживают (дезинфицируют) с помощью соединений хлора или других сильных окислителей. При этом способе (хлорировании) уничтожаются патогенные бактерии, вирусы, болезнетворные микроорганизмы. В системах очистки сточных вод биологический (биохимический) метод является завершающим и после его применения сточные воды можно использовать в оборотном водоснабжении либо сбрасывать в поверхностные водоемы. В последние годы активно разрабатываются новые эффективные методы, способствующие экологизации процессов очистки сточных вод: электрохимические методы, основанные на процессах анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции и электрофлотации; мембранные процессы очистки (ультрафильтры, электродиализ и др.); магнитная обработка, позволяющая улучшить флотацию взвешенных частиц; радиационная очистка воды, позволяющая в кратчайшие сроки подвергнуть загрязняющие вещества окислению, коагуляции и разложению; озонирование, при котором в сточных водах не образуется веществ, отрицательно воздействующих на естественные биохимические процессы; внедрение новых селективных типов сорбентов для избирательного выделения полезных компонентов из сточных вод с целью вторичного использования и др. Известно, что значительную роль в загрязнении водных объектов играют пестициды и удобрения, смываемые поверхностным стоком с сельскохозяйственных угодий. Для предотвращения попадания загрязняющих стоков в водоемы необходим комплекс мероприятий, включающих: 1) соблюдение норм и сроков внесения удобрений и ядохимикатов; 2) очаговую и ленточную обработку пестицидами вместо сплошной; 3) внесение удобрений в виде гранул и по возможности вместе с поливной водой; 4) замену ядохимикатов биологическими способами защиты растений и т. д. Очень сложна утилизация животноводческих стоков, губительно действующих на водные экосистемы. В настоящее время наиболее экономичной признана технология, при которой вредные стоки разделяют с помощью центрифугирования на твердую и жидкую фракции (Яковлев, 1991). При этом твердая часть превращается в компост и ее вывозят на поля. Жидкая часть (навозная жижа) концентрацией до 18% проходит через реактор (рис. 20.8) и превращается в гумус. При разложении органики выделяется метан, диоксид углерода и сероводород. Энергию этого биогаза используют для производства тепла и энергии. 262 Рис. 20.8. Схема утилизации компонентов, содержащихся в стоках животноводческого комплекса: 1 колодец для навозной жижи; 2 насос; 3 биогазовый реактор; 4 отработанный осадок; 5 биогаз; 6 хранилище биогаза; 7 газовая горелка; 8 тепловая энергия; 9 электроустановка; 10 электроэнергия; 11 тепловая энергия Одним из перспективных способов уменьшения загрязнения поверхностных вод является закачка сточных вод в глубокие водоносные горизонты через систему поглощающих скважин (подземное захоронение) (рис. 20.9). При этом способе отпадает необходимость в дорогостоящей очистке и обезвреживании сточных вод и в сооружении очистных сооружений. Рис. 20.9. Схема «захоронения» промышленных сточных вод в глубокие водоносные горизонты (по Н. В. Тарасовой): 1 накопительная емкость; 2 нагнетательная скважина; 3 наблюдательные скважины; 4 зона активного водообмена (пресные воды); 5 зона замедленного водообмена (солоноватые воды); 6 зона застойного режима (соленые воды); 7 закаченные промышленные стоки Однако, по мнению многих ведущих специалистов в этой области, данный метод целесообразен для изоляции лишь небольших количеств высокотоксичных сточных вод, не поддающихся очистке существующими технологиями. Эти опасения связаны с тем, что очень трудно оценить воможные экологические последствия усиленного заводнения даже хорошо изолированных глубокозалегающих горизонтов подземных вод. К тому же технически очень сложно полностью исключить возможность проникновения удаляемых высокотоксичных промстоков на поверхность земли или в другие водоносные горизонты через затрубные пространства скважин. И тем не менее, в обозримом будущем такое решение экологических проблем неизбежно как наименьшее зло (Дзюба, 1999). Среди водоохранных проблем одной из важнейших является разработка и внедрение эффективных методов обеззараживания и очистки поверхностных вод, используемых для питьевого водоснабжения. Недостаточно очищенные питьевые воды опасны как с экологической, так и с социальной точки зрения. 263 Начиная с 1896 г. и до настоящего времени метод обеззараживания воды хлором является в нашей стране наиболее распространенным способом борьбы с бактериальным загрязнением. Однако оказалось, что хлорирование воды несет в себе серьезную опасность для здоровья людей. Исключить этот опасный для здоровья людей эффект и добиться снижения содержания канцерогенных веществ в питьевой воде возможно путем замены первичного хлорирования на озонирование или обработку ультрафиолетовыми лучами, отказом от первичного хлорирования, а также применением безреагентных методов предочистки на биологических реакторах (Государственный доклад «Вода питьевая», 1995). Следует заметить, что обработка воды озоном или ультрафиолетовыми лучами практически полностью вытеснила хлорирование на станциях очистки воды во многих странах Западной Европы. В нашей стране применение этих экологически эффективных технологий ограничено из-за высокой стоимости переоборудования водоочистных станций. Современная технология очистки питьевой воды от других экологически опасных веществ нефтепродуктов, СПАВ, пестицидов, хлорорганических и других соединений основывается на использовании сорбционных процессов с применением активированных углей или их аналогов графитминеральных сорбентов. Все большее значение в охране поверхностных вод от загрязнения и засорения приобретают агролесомелиорация и гидротехнические мероприятия. С их помощью можно предотвращать заиление и зарастание озер, водохранилищ и малых рек, а также образование эрозии, оползней, обрушение берегов и т. д. Выполнение комплекса этих работ позволит уменьшить загрязненный поверхностный сток и будет способствовать чистоте водоемов. В этой связи огромное значение придается снижению процессов эвтрофикации водоемов, в частности водохранилищ таких гидротехнических каскадов, как Волго-Камский и др. Важную защитную функцию на любом водном объекте выполняют водоохранные зоны. Ширина водоохранной зоны рек может составлять от 0,1 до 1,52,0 км, включая пойму реки, террасы и склон коренного берега. Назначение водоохранной зоны предотвратить загрязнение, засорение и истощение водного объекта. В пределах водоохранных зон запрещается распашка земель, выпас скота, применение ядохимикатов и удобрений, производство строительных работ и др. Поверхностная гидросфера органично связана с атмосферой, подземной гидросферой, литосферой и с другими компонентами окружающей природной среды. Учитывая неразрывную взаимосвязь всех ее экосистем, невозможно обеспечить чистоту поверхностных водоемов и водотоков без защиты от загрязнения атмосферы, почв, подземных вод и др. Для защиты поверхностных вод от загрязнения в ряде случаев необходимо идти на радикальные меры: закрытие или перепрофилирование загрязняющих производств, полный перевод сточных вод на замкнутый цикл водопотребления и т. д. Так, например, по мнению Г. И. Галазия (1990), кардинальное решение проблемы предотвращения загрязнения Байкала состоит не в том, чтобы сбрасывать в него даже хорошо очищенные, но все же губительные для водных организмов промстоки и пылегазовые выбросы, а в том, чтобы полностью исключить их попадание в озеро и в атмосферу. Постановлением Правительства РФ (1995) предусматривалось перепрофилирование Байкальского целлюлозно-бумажного комбината и перевод его сточных вод на замкнутый цикл водопотребления. До сих пор это постановление полностью не реализовано. Подземная гидросфера Основные мероприятия по защите подземных вод, проводимые в настоящее время, заключаются в предотвращении истощения запасов подземных вод и защите их от загрязнения. Как и для поверхностных вод, это большая и сложная проблема может быть успешно решена лишь в неразрывной связи с охраной всей окружающей среды. Для борьбы с истощением запасов пресных подземных вод, пригодных для целей питьевого водоснабжения, предусматривают различные меры, в том числе: регулирование режима водоотбора подземных вод; более рациональное размещение водозаборов по площади; определение величины эксплуатационных запасов как предела их рационального использования; введение кранового режима 264 эксплуатации самоизливающихся артезианских скважин. В последние годы для предупреждения истощения подземных вод все чаще применяют искусственное пополнение их запасов путем перевода поверхностного стока в подземный. Пополнение осуществляется путем инфильтрации (просачивания) воды из поверхностных источников (реки, озера, водохранилища) в водоносные пласты (рис. 20.10). Подземные воды получают при этом дополнительное питание, что позволяет увеличивать производительность водозаборов без истощения естественных запасов. Рис. 20.10. Схема искусственного пополнения подземных вод: 1 водоносные пески; 2 депрессионная воронка; 3 насосная; 4 здание для очистки воды; 5 инфильтрационные бассейны; 6 водозаборные скважины Меры борьбы с загрязнением подземных вод подразделяют на: 1) профилактические и 2) специальные, задача которых локализовать или ликвидировать очаг загрязнения. Ликвидировать очаг загрязнения, т. е. извлечь из подземных вод и горных пород загрязняющие вещества, весьма сложно, на это могут уйти многие годы. Поэтому профилактические меры являются главными в природоохранных мероприятиях. Предотвратить загрязнение подземных вод можно различными путями. Для этого совершенствуют методы очистки сточных вод, чтобы исключить попадание загрязненных стоков в подземные воды. Внедряют производства с бессточной технологией, тщательно экранируют чаши бассейнов с промышленными стоками, снижают опасные газодымовые выбросы на предприятиях, регламентируют использование пестицидов и удобрений на сельскохозяйственных работах и т. д. Важнейшей мерой предупреждения загрязнения подземных вод в районах водозаборов является устройство вокруг них зон санитарной охраны. Зоны санитарной охраны (ЗСО) это территории вокруг водозаборов, создаваемые для исключения возможности загрязнения подземных вод. Состоят они из трех поясов. Первый пояс (зона 265 строгого режима) включает территорию на расстоянии 3050 м от водозабора. Здесь запрещается присутствие посторонних лиц и проведение каких-либо работ, не связанных с эксплуатацией водозабора. Второй пояс ЗСО предназначен для защиты водоносного горизонта от бактериальных (микробных) загрязнений, а третий от химических загрязнений. Границы поясов определяются специальными расчетами. На их территории запрещается размещение любых объектов, могущих вызвать химическое или бактериальное загрязнение (шламохранилища, животноводческие комплексы, птицефабрики и т. д.). Запрещаются также использование минеральных удобрений и пестицидов, промышленная рубка леса. Ограничивается или запрещается и другая производственная и хозяйственная деятельность человека. Проекты ЗСО должны быть согласованы с органами санитарного надзора и утверждены специально уполномоченными государственными органами в области охраны окружащей среды. Специальные мероприятия по защите подземных вод от загрязнения направлены на перехват загрязненных вод с помощью дренажа, а также на изоляцию источников загрязнения от остальной части водоносного горизонта. Весьма перспективным в этом отношении является создание искусственных геохимических барьеров, основанных на переводе загрязняющих веществ в малоподвижные формы. Для ликвидации локальных очагов загрязнения ведут длительные откачки загрязненных подземных вод из специальных скважин. Мероприятия по защите подземных вод от истощения и загрязнения проводятся в общем комплексе природоохранных мер. 20.5. ЗАЩИТА ЛИТОСФЕРЫ Защита почв (земель) Защита почв от прогрессирующей деградации и необоснованных потерь наиболее острые экологические проблемы в земледелии, которые еще далеки от своего решения. В число основных звеньев экологической защиты почв входят: защита почв от водной и ветровой эрозии; организация севооборотов и системы обработки почв с целью повышения их плодородия; мелиоративные мероприятия (борьба с заболачиванием, засолением почв и др.); рекультивация нарушенного почвенного покрова; защита почв от загрязнения, а полезной флоры и фауны от уничтожения; предотвращение необоснованного изъятия земель из сельскохозяйственного оборота. Защита почв должна осуществляться на основе комплексного подхода к сельскохозяйственным угодьям как сложным природным образованиям (экосистемам) с обязательным учетом региональных особенностей. Для борьбы с эрозией почв необходим комплекс мер: землеустроительных (распределение угодий по степени их устойчивости к эрозионным процессам), агротехнических (почвозащитные севообороты, контурная система выращивания сельскохозяйственных культур, при которой задерживается сток, химические средства борьбы и т. д.), лесомелиоративных (полезащитные и водорегулирующие лесные полосы, лесные насаждения на оврагах, балках и т. д.) и гидротехнических (каскадные пруды и т. д.). При этом учитывают, что гидротехнические мероприятия останавливают развитие эрозии на определенном участке сразу же после их устройства, агротехнические через несколько лет, а лесомелиоративные через 1020 лет после их внедрения. Для почв, подверженных сильной эрозии, необходим весь комплекс противоэрозионных мер: 1) полосное земледелие, т. е. такая организация территории, при которой прямолинейные контуры полей чередуются с полезащитными лесными полосами; 2) почвозащитные севообороты (для защиты почв от дефляции); 3) облесение оврагов; 4) бесплужные системы обработки почв (применение культиваторов, плоскорезов и т. п.); 266 5) различные гидротехнические мероприятия (устройство каналов, валов, канав, террас, сооружение водотоков, лотков и др.) и другие меры. Великий русский ученый-естествоиспытатель, основоположник почвоведения В. В. Докучаев (18461903), впервые разработал учение о взаимодействии всех элементов природы (рельефа, климата, почв и т. д.) и на этой основе обосновал выбор оптимальных соотношений сельскохозяйственных угодий, севооборотов и их рационального территориального размещения. Впечатляющий пример успешной борьбы с эрозией почв Каменная степь в Воронежской области, которую по праву называют докучаевским бастионом. Известно, какое огромное количество оврагов в этой области. По данным А. И. Тульчинского (1990), в Каменной степи на площади более 12000 га за последние 50 лет не было ни одного оврага. В 1946 г. в результате жестокой засухи сильно пострадали Поволжье, Северный Кавказ, Украина, хозяйства окрест не собрали семян, а поля Каменной степи дали почти стопудовый урожай. Все дело в правильном соотношении между водой и лесом, лугами и другими сельскохозяйственными угодьями. Еще в начале века Д. И. Менделеев писал: «Вопрос засадки лесом южных степей принадлежит к разрешимым задачам. И я думаю, что работа в этом направлении настолько важна для будущего России, что считаю ее однозначащей с защитой государства». Для борьбы с заболачиванием почв в районах достаточного или избыточного увлажнения в результате нарушения природного водного режима применяют различные осушительные мелиорации. В зависимости от причин заболачивания это может быть понижение уровня грунтовых вод с помощью закрытого дренажа, открытых каналов или водозаборных сооружений, строительство дамб, спрямление русла реки для защиты от затопления, перехват и сброс атмосферных склоновых вод и др. Однако чрезмерное осушение больших площадей может вызвать нежелательные изменения в экосистемах переосушение почв, их дегумификацию и декальцинирование (приставка «де» означает устранение чего-либо), а также вызвать обмеление малых рек, усыхание лесов и т. д. Для предупреждения вторичного засоления почв необходимо устраивать дренаж, регулировать подачу воды, применять полив дождеванием, использовать капельное и прикорневое орошение, выполнять работы по гидроизоляции оросительных каналов и т. д. К сожалению, все эти методы и технические новинки для предупреждения вторичного засоления почв применяются лишь на небольшой части орошаемых территорий. Причины везде одинаковы: 1) высокая стоимость и трудоемкость мелиоративных работ; например, дренажные работы и гидроизоляция каналов почти вдвое удорожают строительство оросительных систем; 2) надежда на то, что «неблагоприятные последствия орошения скажутся когда-то в будущем, когда будет больше средств. Но результат всегда и везде был один и тот же: катастрофически быстрый подъем грунтовых вод, вторичное засоление, падение урожаев, потери капиталовложений, в конечном итоге испорченные земли» (Страны и народы, 1985). Именно таким путем происходит формирование многих зон повышенного экологического риска как у нас в стране, так и за рубежом. Для предотвращения загрязнения почв пестицидами и другими вредными веществами используют экологические методы защиты растений (биологические, агротехнические и др.), повышают природную способность почв к самоочищению, не применяют особо опасные и стойкие инсектицидные препараты и др. Например, широко используется разведение и выпуск в агроэкосистемы насекомых-хищников: божьей коровки, жужелицы, муравьев и др. (биологическая защита), внедрение в природные популяции видов или особей, не способных давать потомство (генетический метод защиты), оптимизация размеров отдельных полей для подавления нежелательных видов (агротехнический метод) и т. д. В США и ряде стран Западной Европы организована система биологического земледелия, при которой полностью исключено применение пестицидов и минеральных удобрений и где получают «экологически чистые» продукты. Только в США в 1987 г. таких ферм насчитывалось более 30 тыс. В ряде районов нашей страны (Краснодарский край, Омская область и др.) также появляются очаги беспестицидного земледелия. Интенсивно ведутся работы по созданию пестицидных препаратов на основе природных ингредиентов (смесь зеленого перца с чесноком и табаком, пудра из ромашки, 267 настои из багульника, живокости, софоры, лука и др.). Изъятие пахотных земель для капитального строительства и других целей может быть допущено лишь в исключительных случаях в соответствии с действующим законодательством. Для сохранения продуктивности земель необходимо вводить научно обоснованные нормы земельных площадей, расширять использование для строительства условно непригодных для сельского хозяйства земель, прокладывать коммуникации под землей, повышать этажности застройки городов и населенных пунктов и т. д. При проведении строительных и иных работ, связанных с механическим нарушением почвенного покрова, предусматривается снятие, сохранение и нанесение почвенного плодородного слоя на арушенные земли. Снятие почвенного слоя осуществляется в соответствии с ГОСТ 17.5.3.0685 «Охрана природы. Требования к определению норм снятия плодородного слоя почвы при производстве земляных работ». Для разных типов почв толщина плодородного слоя колеблется от 0,2 (дерново-подзолистые) до 1,2 м (черноземы). Плодородный слой вывозится и складируется в специальных временных отвалах (буртах). Нанесение почвенного плодородного слоя на нарушенные земли производят не позднее одного года с момента окончания земляных работ. Почва, как и вся земля в целом, охраняется законом. Землепользователи обязаны эффективно и рационально использовать земельные богатства, повышать плодородие земельных угодий, не допускать порчу, загрязнение, засорение и истощение земель. Особой охране подлежат редкие и находящиеся под угрозой исчезновения почвы. В целях их учета и охраны учреждена Красная книга почв Российской Федерации. Охрана и рациональное использование недр Недра подлежат обязательной охране от истощения запасов полезных ископаемых и загрязнения. Необходимо также предупреждать вредное воздействие недр на окружающую природную среду при их освоении. Согласно действующему законодательству для предотвращения экологического и экономического вреда недрам необходимо: обеспечивать полное и комплексное геологическое изучение недр; соблюдать установленный порядок пользования недр и не допускать самовольное пользование недрами; наиболее полно извлекать из недр и рационально использовать запасы основных полезных ископаемых и попутных компонентов; не допускать вредного влияния работ, связанных с пользованием недрами, на сохранность запасов полезных ископаемых; охранять месторождения полезных ископаемых от затопления, обводнения, пожаров и др.; предупреждать самовольную и необоснованную застройку площадей залегания полезных ископаемых; предотвращать загрязнение недр при подземном хранении нефти, газа и иных веществ, захоронении вредных веществ и отходов производства. Одним из основных принципов охраны окружающей среды является неистощительное использование природных ресурсов. Для предотвращения возможного их истощения и сохранения запасов недр очень важно соблюдать принцип наиболее полного извлечения из недр основных и попутных полезных ископаемых. Подсчитано, что, если повысить отдачу недр всего на 1%, можно дополнительно получить 9 млн т угля, около 9 млрд м3 газа, свыше 10 млн т нефти, около 3 млн т железной руды и других полезных ископаемых. Все это позволит сократить глубину и масштабы неоправданного проникновения в земные недра, а следовательно, значительно уменьшить отходы горнодобывающих предприятий и оздоровить экологическую обстановку. Одной из важных проблем, связанных с охраной и рациональным использованием недр, является комплексное использование минерального сырья, включая проблему утилизации отходов. 268 Отходы при разработке недр бывают твердыми («пустые» горные породы, минеральная пыль), жидкими (шахтные, карьерные и сточные воды) и газообразные (газы, выделение из отвалов). Основные направления утилизации отходов и улучшения экологической обстановки это использование их в качестве сырья, в промышленном и строительном производстве, в дорожном строительстве, для закладки выработанного пространства и для производства удобрений. Жидкие отходы после соответствующей очистки используют для хозяйственно-питьевого водоснабжения, орошения и т. д., газообразные для отопления и газоснабжения. При пользовании недрами охраняют также земную поверхность, поверхностные и подземные воды, рекультивируют выработанные участки, предотвращают вредное воздействие на другие компоненты природной среды и качество окружающей среды в целом. Рекультивация нарушенных территорий Рекультивация комплекс работ, проводимых с целью восстановления нарушенных территорий и приведения земельных участков в безопасное состояние. Нарушение территории происходит в основном при открытой разработке месторождений полезных ископаемых, а также в процессе строительства. Нарушенные земли теряют первоначальную ценность и отрицательно влияют на окружающую среду. Объектами рекультивации являются: карьерные выемки, мульды оседания, провальные воронки, терриконы, отвалы и другие карьерно-отвальные комплексы; земли, нарушенные при строительных работах; территории полигонов твердых отходов; земли, нарушенные в результате загрязнения их жидкими и газообразными отходами (нефтезагрязненные земли, газогенные пустыни и др.). Рекультивация (восстановление) осуществляется последовательно, по этапам. Различают техническую, биологическую и строительную рекультивации. Техническая рекультивация означает предварительную подготовку нарушенных территорий для различных видов использования. В состав работ входят: планировка поверхности, снятие, транспортировка и нанесение плодородных почв на рекультивируемые земли, формирование откосов выемок, подготовка участков для освоения и т. п. На этапе технической рекультивации засыпают карьерные, строительные и другие выемки (рис. 20.11), в глубоких карьерах устраивают водоемы, полностью или частично разбирают терриконы, отвалы, хвостохранилища, закладывают «пустыми» породами выработанные подземные пространства. После завершения процесса осадки поверхность земли выравнивают. Рис. 20.11. Техническая рекультивация нарушенной территории Биологическая рекультивация проводится после технической для создания растительного 269 покрова на подготовленных участках. С ее помощью восстанавливают продуктивность нарушенных земель, формируют зеленый ландшафт, создают условия для обитания животных, растений, микроорганизмов, укрепляют насыпные грунты, предохраняя их от водной и ветровой эрозии, создают сенокосно-пастбищные угодья и т. д. Работы по биологической рекультивации ведут на основе знания развития сукцессионных процессов. При благоприятных условиях рекультивацию нарушенных земель осуществляют не по всем этапам, а выбирают какое-либо одно преимущественное направление рекультивации: водохозяйственное, рекреационное и др. (табл. 20.3). Таблица 20.3 Основные направления рекультивации и виды последующего использования рекультивированных земель Например, на территориях, подверженных воздействию газодымовых выбросов от промышленных предприятий, рекомендуется санитарно-гигиеническое направление рекультивации с использованием газоустойчивых растений. Очень сложно рекультивировать нефтезагрязненные земли, так как они имеют обедненную биоту и содержат канцерогенные углеводороды типа бенз(а)пирена. Для этого необходимы рыхление и аэрация почвы, использование бактерий, деградирующих нефть, посев специально подобранных трав и др. При необходимости выполняют также строительный этап рекультивации, в ходе которого на подготовленных территориях возводят здания, сооружения и другие объекты. Работы по рекультивации нарушенных территорий обеспечиваются нормативноинструктивными материалами и ГОСТами. Например, действует ГОСТ 17.5.3.0483 «Охрана природы. Земли. Общие требования к рекультивации земель». Сегодня уже нельзя ограничиваться только восстановлением нарушенного массива, плодородия земель, созданием растительного покрова, а важно восстанавливать и все другие компоненты природной среды. Необходима комплексная рекультивация, а точнее рекультивация природной среды (Е. М. Сергеев и др., 1992). Защита массивов горных пород Стратегическая линия защиты и рационального использования оползневых, селевых, закарстованных и других массивов горных пород может быть представлена следующим образом: 270 не фетишизировать лозунг «Строить, не нарушая природных равновесий». Невозможно законсервировать существующую природную обстановку и сделать ее неизменной. Нарушение экологических равновесий и изменение среды неизбежны, однако не следует допускать вредных и опасных по своим последствиям нарушений; постепенно переходить от защиты отдельных участков и районов к охране всего природного окружения; в районах со сложными природными условиями добиваться их улучшения путем рекультивации, создания искусственных форм рельефа, борьбы с неблагоприятными геологическими процессами. Весьма важно учитывать единство, взаимосвязь и взаимообусловленность антропогенных геологических процессов. Изменение одного процесса вызывает изменение других. Изыскатель и проектировщик должны предвидеть цепные экологические реакции; выгоднее и эффективнее предупреждать нежелательный процесс, что подчеркивает значимость профилактических мероприятий; не применять таких мер борьбы, которые порождают новые нежелательные процессы и явления; охранять памятники природы (уникальные геологичекие разрезы, геоморфологические элементы, карстовые пещеры и т. п.) (Рекомендации…, 1981). Защита оползневых массивов. Эффективная защита оползневых участков от воздействия строительных работ заключается в поддержании стабильного состояния склонов в течение всего срока эксплуатации, заданного проектом. С этой целью регулируют поверхностный сток посредством водоотводных канав, телескопических лотков, ливневых коллекторов, производят планировку склона, одерновывают оголенные откосы, осуществляют лесомелиоративные работы и т. п. На оползневых склонах и там, где они возможны, запрещается строительство различных сооружений, сброс технических и хозяйственных вод, вырубка деревьев, неумеренный выпас скота, подрезка склона, устройство карьеров и других выемок и т. п. При необходимости выполняют активные инженерные мероприятия: 1) перераспределение массы горных пород на склоне; 2) устраивают подпорные и анкерные сооружения; 3) искусственно улучшают свойства грунтов; 4) дренируют подземные воды и др. Защита селеопасных массивов. На селеопасных горных массивах запрещается вырубка лесов, уничтожение кустарников, нарушение травянистого покрова. Недопустим сброс на склоны сточных вод, устройство оросительных каналов, накопление отвалов горных пород при добыче полезных ископаемых и т. д. Необходимы лесонасаждения, регулирование поверхностного стока, сброс воды из ледниковых озер и другие природоохранные меры. В состав инженерных мероприятий входят селезадерживающие и селеулавливающие плотины, водосбросные каналы и др. Защита закарстованных массивов. Природоохранные мероприятия должны быть направлены на снижение карстового процесса. Главное внимание уделяется поверхностному и подземному стокам. С этой целью устраивают перехватывающие и водосборные канавы, производят тампонаж карстовых воронок, провалов, крупных трещин, облицовку обнаженных участков. Предусматривают дренаж подземных вод. Ограничивают до минимума вскрышные земляные работы. Применяют агролесомелиорацию. Одним из важных направлений охраны закарстованных массивов является борьба с утечками агрессивных промышленных сточных вод. Для предотвращения развития карстово-суффозионных процессов при интенсивных откачках вод необходимо регулировать величину водоотбора. Защита массивов горных пород от подтопления. Мероприятия по борьбе с подтоплением подразделяют на профилактические (организация стока грунтовых вод, предупреждение утечек из 271 водонесущих коммуникаций и др.) и защитные (дренаж, гидроизоляция). Охрана массивов горных пород в зоне вечной мерзлоты. Согласно действующим строительным нормам и правилам в качестве основных должны предусматриваться мероприятия для сохранения расчетного температурного режима пород, а также для сохранения природных условий окружающей среды. Непременным условием сохранения мерзлотных и природных условий являются своевременная засыпка траншей и котлованов, закрепление выемок и срезок грунта и максимально возможное сохранение естественного растительного и почвенного покрова. Очень важно сохранить и природную растительность (деревья, кустарники). Дороги, подъезды и насыпные площадки для строительных механизмов возводят до начала земляных и фундаментных работ. После окончания строительных работ необходимо производить рекультивацию (восстановление) начальных природных условий, где они были нарушены. При этом необходимо помнить, что природная среда в зоне вечной мерзлоты весьма ранима, здесь значительно легче нарушить ее, чем восстановить. 20.6. ЗАЩИТА БИОТИЧЕСКИХ СООБЩЕСТВ Защита растительного мира Для сохранения численности и популяционно-видового состава растений осуществляется комплекс природоохранных мер, в число которых входят: борьба с лесными пожарами; защита растений от вредных болезней; полезащитное лесоразведение; повышение эффективности использования лесных ресурсов; охрана отдельных видов растений и растительных сообществ. Борьба с лесными пожарами. В нашей стране уже длительное время действует специальная служба государственной лесной охраны, оснащенная современной техникой обнаружения и тушения пожаров. Для этих целей используют самолеты, вертолеты, мощные пожарные автоцистерны, опрыскиватели, вездеходы, бульдозеры и т. д. Значительна роль авиационной охраны, на ее долю приходится почти треть всех обнаруженных и ликвидированных пожаров в лесах государственного фонда. Однако следует признать, что в последние годы отлаженная система обнаружения и тушения очагов лесных пожаров становится малоэффективной из-за недостаточного финансирования. В борьбе с лесными пожарами большую роль играют и другие меры защиты, в частности, создание противопожарных барьеров-разрывов, специальных полос и др. Главные усилия следует направлять на профилактику пожаров. Подавляющее большинство лесных пожаров происходит, как известно, из-за неосторожного или неумелого обращения людей с огнем. Так, в местах европейской территории страны почти 100% возгораний происходит по вине местного населения (Государственный доклад…, 1997). Причиной лесных пожаров, достигающих нередко грандиозных масштабов и наносящих непоправимый экологический урон и огромные экономические убытки, становятся, как правило, незатушенные костры, брошенные горящие окурки и спички, тлеющие пыжи, пламя из выхлопных труб и другие неосторожные действия. В связи с этим важнейшее значение имеют профилактические меры, особенно разъяснительная работа среди населения. Люди, посещающие лес, должны знать и неукоснительно соблюдать правила пожарной безопасности в лесах. Этими правилами запрещается разводить костры в пожароопасных местах (под кронами деревьев, на сухой подстилке, на торфяных почвах) и в пожароопасный период, оставлять непогашенные костры, бросать окурки и др. Невыполнение законных требований органов государственного контроля за использованием, воспроизводством и охраной лесов влечет за собой административный штраф, а умышленное повреждение или поджог леса относятся к тяжким преступлениям. 272 Защита растений от вредителей и болезней. Среди методов защиты растений от болезней и вредителей различают профилактические и истребительные меры. Лучшие результаты дают профилактические меры, а именно: надзор, карантинная служба и различные лесохозяйственные мероприятия. К истребительным (точнее лечебно-истребительным) относятся агротехнические методы (правильные севообороты, сортировка и очистка семян, выведение и возделывание непоражаемых сортов культурных растений и др.), биологические (основаны на уничтожении вредителей хищными и паразитическими насекомыми энтомофагами, насекомоядными птицами, микроорганизмами, нематодами и другими их естественными врагами) и химические, основанные на использовании специальных веществ, токсичных для вредителей. Один из перспективных биологических способов внедрение в природные популяции, численность видов которых надо уменьшить, таких особей, которые не способны давать потомство. По мнению ряда специалистов, этот генетический метод защиты в ряде случаев оказался эффективным и заслуживает широкого распространения. В отношении химического метода в гл. 15 уже обращалось внимание на его отрицательные стороны (загрязнение пестицидами почвы и природных вод, накопление токсичных веществ в продуктах питания и др.). В настоящее время во многих странах мира ведутся работы по дальнейшему развитию интегрального метода защиты растений, при котором пестициды постепенно заменяются биологическими методами, изыскиваются химические средства избирательного действия, строго регламентируется применение пестицидов. Этот сбалансированный комплекс защиты растений позволяет уже на нынешней стадии разработки значительно сократить использование токсичных веществ. Полезащитное лесоразведение. Искусственно выращенные лесные полосы, сформированные из быстрорастущих биологически устойчивых пород для поддержания биологического равновесия, создают по границам полей и севооборотов, снаружи и внутри садов, на пастбищах и т. д. Лесонасаждения положительно влияют на окружающую природную среду и способствуют защите сельскохозяйственных полей, пастбищных трав, плодовых деревьев, кустарников, виноградников от вымерзания, вредного действия ветров, пыльных бурь, засух и суховеев. Повышение эффективности использования лесных ресурсов. В комплекс мероприятий данного назначения входят перебазирование лесозаготовок и лесоперерабатывающих предприятий в многолесные районы, ликвидация перерубов в малолесных районах, сокращение потерь древесины при сплаве и перевозках и др. Для сохранения численности и популяционно-видового состава лесов необходимо также проведение в достаточных объемах лесовосстановительных работ с целью восстановления лесов до состояния климакса, улучшение их состава (рис. 20.12), дальнейшее развитие сети лесных питомников и разработка методов выращивания леса на специальных плантациях. Рис. 20.12. Березовая роща в листопадных лесах умеренной зоны 273 Охрана отдельных видов растений и растительных сообществ. Обычно выделяют два аспекта, связанных с охраной растительного мира: 1) охрана редких и исчезающих видов флоры и 2) охрана основных растительных сообществ. К редким относят растительные виды, имеющие ограниченный ареал и низкую численность. Правительственными постановлениями взяты под защиту десятки редких видов растений. В местах их произрастаний строго запрещается сбор, выпас скота, сенокошение и другие формы уничтожения растений и их сообществ. Очень важной задачей является сохранение в качестве генофонда видового разнообразия растений. В случае когда исчерпаны все резервы сохранения видов растений, создают специальные хранилища генетические банки, где генофонд видов сохраняется в виде семян. Процесс создания банка клеток и тканей достаточно сложен и включает в себя следующие операции: сбор пыльцы получение культуры клеток развитие эмбрионов программное замораживание при температуре, равной минус 196 C рекультивирование после оттаивания регенерация растений (Бутенко, Попова, 1979). Охрана животного мира Действие «Закона о животном мире» (1995) распространяется на регулирование, охрану и использование диких животных, т. е. животных, находящихся в состоянии естественной свободы. Охрана и использование одомашненных животных, а также содержащихся в зоопарках, зоосадах, вольерах, на зверофермах регулируется другими законодательными актами. Охрана и эксплуатация охотничьих животных, морских зверей и промысловых рыб. Охрана диких животных в нашей стране осуществляется с соблюдением принципов научно обоснованного управления популяциями, сохранения видового многообразия и генофонда. Под эксплуатацией диких животных следует понимать использование их для получения различных ценных продуктов и сырья (мяса, меха, пуха, пантов и другой продукции) и пользование ими в научных, культурно-просветительских и иных целях. Охрана и эксплуатация охотничьих животных должна предусматривать разумную добычу, но не их истребление. Если изъятие отдельных особей из популяции биологически обоснованно, то оно не только не вредит популяции, а наоборот, способствует мобилизации ее экологического резерва, под которым понимают возможность повышения продуктивности путем увеличения потомства и его выживаемости. Объектом охотничьего хозяйства, как подчеркивает А. Г. Банников и другие ученые, должна быть именно популяция данного вида животных. Управлять же промыслом (охотой), количественным и качественным составом популяций необходимо в полном соответствии с возможностями того биогеоценоза, в состав которого она входит. При соблюдении этих принципов промысел и охота становятся действенной, активной формой охраны животных и способствуют оздоровлению их популяций. Популяционно-видовой подход к охране и эксплуатации охотничьих животных укоренился в нашей стране с начала 50-х гг. и в настоящее время является доминирующим. Используя этот подход, очень важно определить минимальное число особей, при котором сложились бы наиболее благоприятные условия существования и развития популяции. Принимается, что эффективная величина популяции для высших позвоночных, обеспечивающая их надежное выживание, не должна быть меньше нескольких сот особей, а для беспозвоночных несколько десятков тысяч особей. Чем меньше площадь обитаемых мест, тем быстрее происходит исчезновение видов (Макеева, 1991). Помимо организованного промысла и охоты на охотничьих угодьях, которые занимают в России огромные площади, проводят биотехнические мероприятия. Их назначение: сохранение и увеличение емкости охотничьих угодий, а также увеличение численности и обогащение видов промысловых животных. Широко используется также акклиматизация животных, т. е. вселение их в новые места обитания с целью обогащения экосистем новыми полезными видами. Только за десять лет (с 1963 по 1973 г.) на территории бывшего СССР было расселено 262,5 тыс. охотничьих зверей и птиц, 274 относящихся к 35 видам, в том числе 129 зубров (рис. 20.13), 131 лось, 939 пятнистых оленей, 2600 благородных оленей, 439 соболей, около 6 тыс. речных бобров, более 73 тыс. ондатр, 102 тыс. фазанов, более 3,5 тыс. американских норок (Лаптев, 1975). Рис. 20.13. Зубр. В ряде заповедников имеются стада зубров Наряду с акклиматизацией диких животных практикуется и реакклиматизация, т. е. расселение животных в прежние места обитания, где ранее они находились, но были истреблены. Поскольку дикие животные составляют государственный охотничий фонд, их использование регламентируется правовыми нормами, в частности, «Положением об охоте и охотничьем хозяйстве». Охота с нарушением установленных правил считается браконьерством. К сожалению, существующие меры по охране охотничье-промысловых животных в нынешней социально-экономической ситуации явно недостаточны. В лесах и других местах обитания исчезают белки, зайцы, кабаны, рябчики, куропатки и многие другие виды зверей и птиц. Их незаконная добыча постоянно увеличивается, поэтому внимание к охране охотничье-промысловых животных должно быть значительно усилено. Охрана и эксплуатация морских зверей (тюленей, моржей, морских котиков и др.) регламентируется лимитами, сроками и районами добычи. Полностью запрещена добыча дельфинов. Прекращен промысел китов. Трудности в охране этого вида животных связаны с миграцией их через государственные границы и обитанием многих из них в международных водах. Охрана промысловых рыб основана также на соблюдении популяционно-видового принципа. Так, установлено, что вылов взрослых рыб (до определенного предела) не только не приносит вреда всей популяции, но даже способствует увеличению ее прироста. Это положение не распространяется на такой варварский способ добычи как рыбная ловля дрифтерными сетями с узкой ячейкой. Площадь огораживаемого сетями района может превышать десятки километров, в сети попадают и погибают сотни тысяч морских млекопитающих и миллионы рыб, на которых не нацелен данный вид лова. ООН приняла специальную резолюцию (1991), которая вводит мораторий на любые виды широкомасштабной рыбной ловли дрифтерными сетями в открытом море. Рыболовство в нашей стране регламентируется «Положением об охране рыбных запасов и о регулировании рыбоводства в водоемах». Специальная служба рыбоохраны контролирует соблюдение законодательных актов, осуществляет надзор за водоемами, предупреждает их загрязнение. Нарушители правил рыбоводства привлекаются к юридической ответственности. Охрана путем разумной эксплуатации распространяется и на другие промысловые и непромысловые виды животных, однако экологические основы их охраны и эксплуатации разработаны еще недостаточно, что неизбежно сказывается на эффективности проводимых мероприятий. Нуждаются в усилении охраны и разумной эксплуатации морские промысловые беспозвоночные (устрицы, кальмары, осьминоги и др.), насекомые-опылители (пчелы, шмели и др.), 275 черепахи, рыжие муравьи, ядовитые змеи, многие земноводные и среди них в первую очередь лягушки, все насекомоядные птицы и др. Как показал накопленный человечеством опыт, в природе не существует абсолютно вредных и абсолютно полезных животных. Все зависит от их численности, условий существования и ряда других факторов. Это относится и к хищным животным, исключая, может быть, волка. В России его численность еще высока, а в последние годы наметилась тенденция даже к ее увеличению, он наносит серьезный урон животноводству, поэтому борьба с ним ведется любыми способами и во все времена года. Однако, видимо, не за горами время, когда нам придется задуматься над тем, чтобы этот хищник полностью не исчез с лица земли. При правильном регулировании его численности волк как биологический вид бесспорно достоин существования на нашей планете. К тому же, являясь прекрасной биологической моделью идеального приспособления организма к экстремальным условиям, волк может стать ценнейшим генофондом для будущих селекционных работ. Красная книга Красная книга содержит сведения о редких, исчезающих или находящихся под угрозой исчезновения видов растений и животных, с целью введения режима их особой охраны и воспроизводства. Существует несколько вариантов Красных книг: международная, федеральная и республиканская (областная). Международная Красная книга. Идея, составление и издание этой книги принадлежит Международному союзу охраны природы и природных ресурсов (МСОП). Этой организацией выпущены тома: «Млекопитающие» (310 видов), «Птицы» (320 видов), «Земноводные и пресмыкающиеся» (162 вида), «Рыбы» (40 видов) и том о редких растениях. Международная Красная книга не сброшюрована и любая страница (лист) может быть заменена другой по мере получения новых данных. В Международной Красной книге выделено пять видов растений и животных в соответствии с классификацией, разработанной МСОП: 1. Ех по-видимому, исчез. 2. Е под угрозой исчезновения. Спасение вида невозможно без проведения специальных мер по охране. 3. V сокращающийся в численности. Этот уязвимый, сокращающийся в численности вид пока еще встречается в количествах, достаточных для выживания. 4. R редкий. Прямая угроза выживанию отсутствует, но из-за незначительной численности при неблагоприятных условиях возможно сокращение численности и угроза исчезновения. 5. Восстановленные виды. Ранее относились к категориям Е, V или R, теперь, благодаря мерам по охране и эксплуатации, восстановлены. Нуждаются в постоянном контроле. Ежегодно в Международную Красную книгу вносятся изменения и новые виды, нуждающиеся в особой заботе. В 1996 г. вышло новое издание Международной Красной книги, в которую включено 5205 видов животных, находящихся под угрозой исчезновения: 1096 видов млекопитающих, 1107 птиц, 253 рептилий, 124 амфибий, 734 рыб, 1891 беспозвоночных (бабочек, жуков и др.). Красная книга России. Содержит разделы, аналогичные Международной Красной книге. В книгу включено 562 вида растений и 246 видов животных, в том числе уссурийский тигр, белый медведь, пятнистый олень (аборигенная популяция) (рис. 20.14), белобрюхий тюлень, журавли белый, черный и маньчжурский, красноногий чибис, дальневосточный аист и др. Редчайший на Земле сокол белый кречет (рис. 20.15) также взят под строгую охрану и занесен в Красную книгу. В давние годы ловцам хищных птиц, уходящим по весне в далекую северную глушь, к берегам холодного океана, наказывалось строго принести к царскому двору столько-то птиц «крапленых да серых». И лишь о белых кречетах, покорявших знатоков силой, ловкостью, отвагой, горделивым взглядом и осанкой, говорилось: «Сколько Бог даст уловлено будет». Редкими и тогда считались эти птицы (Орлов, 1991). 276 Рис. 20.14. Пятнистый олень (аборигенная популяция) Рис. 20.15. Белый кречет Информация по каждому виду, включенному в Красную книгу, содержит краткое морфологическое описание с указанием основных отличий от близкородственных видов, места распространения или обитания, численность в природе и причины ее уменьшения, данные по биологии и экологии вида, принятые и необходимые меры. Решение о включении конкретного вида растения или животных в Красную книгу (или исключение из нее) принимает Межведомственная комиссия, представленная учеными и специалистами различных министерств и ведомств. Красные книги республик, краев и областей призваны способствовать усилению охраны редких и исчезающих видов растений и животных непосредственно в регионах. Включение животного или растения в Красную книгу означает повсеместное изъятие данного вида из хозяйственного оборота и торговли. Закон обязывает природопользователя принять меры по охране и воспроизводству этих видов растений и животных. Особо охраняемые природные территории К наиболее эффективным формам охраны биотических сообществ, а также всех природных экосистем следует отнести государственную систему особо охраняемых природных территорий. Особо охраняемые природные территории (ООПТ) это участки суши или водной поверхности, которые в силу своего природоохранного и иного значения, полностью или частично изъяты из хозяйственного пользования и для которых установлен режим особой охраны. Особо охраняемые природные территории, закон о которых был принят Государственной Думой 15 февраля 1995 г., предназначены для поддержания экологического баланса, сохранения генетического разнообразия природных ресурсов, наиболее полного отражения биогеоценотического разнообразия биомов страны, изучения эволюции экосистем и влияния на них антропогенных 277 факторов, а также для решения различных хозяйственных и социальных задач. Согласно закону различают следующие основные категории указанных территорий: А) государственные природные заповедники, в том числе биосферные; Б) национальные парки; В) природные парки; Г) государственные природные заказники; Д) памятники природы; Е) дендрологические парки и ботанические сады. Государственные природные заповедники участки территории, которые полностью изъяты из обычного хозяйственного использования с целью сохранения в естественном состоянии природного комплекса. По Ф. Р. Штильмарку заповедник есть территория, на которой люди сознательно и добровольно прекращают всякую свою деятельность, всякое вмешательство в природные процессы, чтобы сравнивать последствия такого заповедания с освоенными землями. В основу природно-заповедного дела положены следующие основные принципы: создание в заповедниках как своеобразных «эталонах» природы условий, необходимых для сохранения и развития всех видов животных и растений; поддержание экологического равновесия ландшафтов путем охраны природных экосистем; возможность изучать эволюцию природных экосистем как в региональном, так и в более широком биогеографическом плане; решать многие аутэкологические и синэкологические вопросы; сеть заповедных объектов должна отображать широтно-меридиональные, а в горных регионах высотные закономерности распространения экосистем; включение в сферу деятельности заповедников социально-экономических вопросов, связанных с удовлетворением рекреационных, краеведческих и иных нужд населения (Бондаренко и др., 1986). Заповедники рассматривают и как природные комплексы, изъятые из хозяйственного оборота, и как научно-исследовательские учреждения, выполняющие научные, охранительные, культурнопросветительские и иные функции. В 1997 г. в России насчитывалось 95 заповедников, общей площадью 310,27 тыс. км2, что составляет 1,53% всей территории России. Самые крупные из них Таймырский и Усть-Ленский, площадь каждого из них превышает 1,5 млн га. Уникальны по разнообразию растительного и животного мира нетронутые человеком уголки природы в Тебердинском (рис. 20.16), Алтайском, Кроноцком (Камчатка), Воронежском и других заповедниках нашей страны. 278 Рис. 20.16. Дикие кабаны Для сглаживания влияния прилегающих территорий, особенно в зонах с хорошо развитой инфраструктурой, вокруг заповедников создают охранные зоны, где хозяйственная деятельность ограничена. Биосферные заповедники входят в состав ряда государственных природных заповедников и используются в качестве фонового заповедно-эталонного объекта при изучении биосферных процессов. В мире в настоящее время создана единая глобальная сеть из более чем 300 биосферных заповедников (в России 11), которые работают по согласованной программе ЮНЕСКО и ведут постоянные наблюдения за изменением природной среды под влиянием антропогенной деятельности. Природные национальные парки одна из новых форм охраны и использования природных экосистем. Национальные парки это относительно большие природные территории и акватории, где обеспечивается выполнение трех основных целей: экологической (поддержание экологического баланса и сохранение природных экосистем), рекреационной (регулируемый туризм и отдых людей) и научный (разработка и внедрение методов сохранения природного комплекса в условиях массового допуска посетителей). В национальных парках есть и зоны хозяйственного использования. К самым крупным природным национальным паркам в России относятся «Лосиный остров» (район Санкт-Петербурга), «Сочинский», «Приэльбрусье», «Валдайский», «Русский север» и др. На 1 ноября 1997 г. в России насчитывалось 33 национальных парка общей площадью свыше 66 тыс. км2, что составляет незначительную часть от всей ее территории. Природные парки территории, отличающиеся особой экологической и эстетической ценностью, с относительно мягким охранным режимом и используемые преимущественно для организованного отдыха населения. Природные парки некоммерческие организации, финансируемые за счет бюджетных средств. По своей структуре они более просты, чем национальные природные парки. Самый крупный природный парк в России «Русский лес» в Подмосковье. Известны также природный парк «Тургояк» в Челябинской области, на берегу прекрасного озера Тургояк, Мезинский, Днепровский, Днепровско-Деснянский в Украине. Заказники территории, созданные на определенный срок (в ряде случаев постоянно) для сохранения или восстановления природных комплексов или их компонентов и поддержания экологического баланса. В заказниках сохраняют и восстанавливают плотности популяций одного или нескольких видов животных или растений, а также природные ландшафты, водные объекты и др. Существуют ландшафтные, лесные, ихтиологические, орнитологические и другие типы заказников. Например, в Тихвинском районе Ленинградской области расположен заказник «Венский лес», в котором под особую охрану взяты девственные ельники, в то же время охота и туризм не запрещены. После восстановления плотности популяции видов животных и растений, природного ландшафта и т. д., заказники закрываются. Памятники природы уникальные, не воспроизводимые природные объекты, имеющие научную, экологическую, культурную и эстетическую ценность (пещеры, небольшие урочища, вековые деревья, скалы, водопады и др.). Иногда для сохранения ценнейших памятников природы вокруг них создаются специальные заповедники. Например, для сохранения красивейшего каскадного водопада Кивач на р. Суне (Карелия) создан заповедник «Кивач» площадью 102 км2. На территории, где расположены памятники природы, запрещена любая деятельность, нарушающая их сохранность. Дендрологические парки и ботанические сады коллекции деревьев и кустарников, созданные человеком с целью сохранения биоразнообразия и обогащения растительного мира, а также в научных, учебных и культурно-просветительских целях. В дендрологических парках и ботанических садах осуществляются также работы по интродукции и акклиматизации новых для данного региона растений. Режим особо охраняемых природных территорий охраняется законом. За нарушение режима 279 законодательством Российской Федерации установлена административная и уголовная ответственность. Проведенные научные исследования и накопленный мировой опыт использования статуса особо охраняемых территорий этой эффективной формы сохранения природных экосистем, свидетельствуют о необходимости значительного увеличения их площади в ближайшие десятилетия. 20.7. ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОТ ОСОБЫХ ВИДОВ ВОЗДЕЙСТВИЙ Защита от отходов производства и потребления В данном разделе используются следующие основные понятия: Утилизация (от лат. utilis полезный) отходов извлечение из них и хозяйственное использование различных полезных компонентов; утилизация промышленных отходов их использование в качестве вторичного сырья, топлива, удобрений и т. п.; Реутилизация повторная, иногда многократно-последовательная переработка образовавшихся ранее отходов; Захоронение отходов помещение их под землю в специально созданные выемки, брошенные угольные шахты и др., в целях исключения возможности их дальнейшего использования и предотвращения попадания загрязняющих веществ в окружающую среду; Детоксикация (обезвреживание) отходов освобождение их от вредных (токсичных) компонентов на специализированных установках. В настоящее время и по масштабам накопления, и по степени негативного воздействия на окружающую среду опасные отходы становятся экологической проблемой века. Поэтому их сбор, удаление, детоксикация, переработка и утилизация одна из главнейших задач инженерной защиты окружающей среды. Важнейшей задачей является защита среды обитания и от обычных, т. е. нетоксичных отходов. Решение этой проблемы регламентируется Законом РФ «Об охране окружающей среды» (2002 г.) и Федеральным законом «Об отходах производства и потребления» (1998 г.). В отечественной и мировой практике наибольшее распространение получили следующие методы переработки твердых бытовых отходов (ТБО): строительство полигонов для захоронения и частичной их переработки; сжигание отходов в мусоросжигательных заводах; компостирование (с получением ценного азотного удобрения или биотоплива); ферментация (получение биогаза из животноводческих стоков и др.); предварительная сортировка, утилизация и реутилизация ценных компонентов; пиролиз (высокотемпературный нагрев без доступа воздуха) ТБО при температуре 1700 С. По оценке ряда специалистов, на нынешней стадии развития производства, которое в целом характеризуется преобладанием ресурсопотребляющих технологий и огромным накоплением отходов, наиболее приемлемым методом считается строительство полигонов для организованного и санкционированного хранения отходов и частичной их переработки (в основном методом прямого сжигания). Конструктивные схемы допускают высоту таких полигонов до 60 м и послойное его загружение с помощью бульдозеров, для чего устраивают пологий внешний откос. При определенных условиях (инертность, слабая токсичность) совместно с твердыми бытовыми отходами могут складироваться и промышленные отходы. Особое внимание обращают на гидроизоляцию полигонов, чтобы исключить попадание загрязняющих веществ в подземные воды. Срок полного обезвреживания отходов 50100 лет. Другой, менее распространенный метод переработки твердых бытовых отходов сжигание их на мусоросжигательных заводах. На сегодняшний день в России работает небольшое число таких заводов (Москва-2, Владивосток, Сочи, Пятигорск, Мурманск и др.). На этих заводах спекание 280 отходов происходит при t 800850 С. Вторая стадия газовой очистки отсутствует, поэтому в золе отработанных отходов отмечается повышенная концентрация диоксинов (0,9 мкг/кг и более) (Национальный доклад…,1991). С каждого кубометра сжигаемых отходов в атмосферу выбрасывается 3 кг ингредиентов (пыль, сажа, газы) и остается 23 кг золы. На некоторых зарубежных мусоросжигательных заводах реализуется более экологичная двухстадийная очистка отходящих газов, в их составе регламентируется очистка более десяти вредных компонентов, включая дибензодиоксин и дибензофураны (на отечественных заводах четыре компонента). Режим сжигания предусматривает разложение отходов, в том числе образующихся из пластмасс диоксинов при температуре 9001000 С. До сжигания в обязательном порядке (в США, например, это регламентируется законом) производится предварительная сортировка твердых отходов, что на порядок снижает содержание вредных веществ в газах и шлаках. На заводах по пиролизу ТБО при t 1700 С практически утилизируются все материальные и энергетические компоненты, что резко снижает загрязнение окружающей среды. Однако технологический процесс очень трудоемкий, по существу, завод по пиролизу это доменная печь. К новейшим отечественным разработкам относится технология комплексной переработки ТБО, предложенная НИИ ресурсосбережения. Технология предусматривает предварительную механизированную сортировку ТБО (извлечение черных и цветных металлов, выделение части балластных компонентов стеклобоя, бытовых электробатареек и др., выделение текстильных компонентов и др., для последующего их использования или ликвидации). Термообработка обогащенной и подсушенной фракции мусора осуществляется при температуре до 1000 С, обогащенные шлаки перерабатываются и сжигаются в камни строительного назначения, предусматривается двухстадийная современная газоочистка. Мусороперерабатывающий завод нового типа, работающий по данной комбинированной технологии, дает всего 15% отходов. Одним из перспективных методов переработки твердых бытовых отходов является их компостирование с аэробным окислением органического вещества. Полученный компост используют в сельском хозяйстве, а не компостируемые бытовые отходы поступают в специальные печи, где термически разлагаются и превращаются в разные ценные продукты например, в смолу. И все же следует подчеркнуть, что и у нас в стране и за рубежом основная масса твердых бытовых отходов из-за нехватки полигонов вывозится в пригородные зоны и выбрасывается на свалки. Экологическое состояние свалок явно неудовлетворительное: отходы на них разлагаются, часто загораются и отравляют воздух токсичными веществами, а дождевые и талые воды, просачиваясь через толщу горных пород, загрязняют грунтовые воды. Складирование и захоронение отходов производится в местах, определяемых решением органов местного самоуправления по согласованию (а потенциально опасных и особо токсичных отходов по разрешению) специально уполномоченных на то государственных органов в области охраны окружающей среды. Основным направлением ликвидации и переработки твердых промышленных отходов (ТПО) является захоронение их на полигонах, сжигание, в частности, методом высокомолекулярного нагрева без доступа воздуха пиролиза и складирование в поверхностных хранилищах (шламонакопители, хвостохранилища и др.). Токсичные твердые промышленные отходы обезвреживают на специальных полигонах и сооружениях. Для предотвращения загрязнения почв и подземных вод, отходы подвергают отверждению цементом, жидким стеклом, битумом, обработке полимерными вяжущими и т. д. Выбор земельных участков для захоронения производится с соблюдением «Санитарных правил о порядке накопления, транспортировки, обезвреживания и захоронения токсичных промышленных отходов» и СНиП 2.01.2885 «Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов». Полигоны запрещено размещать в сильно заболоченных местах, на территориях зеленых зон городов, в зонах санитарной охраны курортов, в зоне питания подземных 281 источников питьевой воды, в зонах активного карста, оползней, селевых потоков, снежных лавин. В случае особенно токсичных промышленных отходов их захоронение производят на специальных полигонах (рис. 20.17, по С. В. Белову и др., 1991) в котлованах глубиной до 12 м в специальной таре и рабочих железобетонных емкостях. Рис. 20.17. Полигон «Красный бор» для переработки и захоронения токсичных промышленных отходов В стратегическом плане, по мнению многих ученых и специалистов, проблема отходов должна решаться на месте их образования путем внедрения ресурсовозобновляющих технологий (РВТ), обеспечивающих минимизацию промвыбросов и выхода отходов. Концепция ресурсовозобновляющих технологий впервые была предложена еще в 60-х гг. А. Нагорным. В настоящее время в г. Запорожье (Украина) строится первый в мире завод РВТ производительностью по ТБО 10001500 т/сут. РВТ имеет узлы геохимической, физикохимической и биотехнологической обработки отходов. Вторичные ресурсы найдут применение в качестве биотоплива, металлолома, стройматериалов и т. д. В развитие концепции РВТ А. Семенов и И. Максимов (1995) предлагают создать экозащитные системы нового поколения многопрофильные комбинаты «Экополигон», способные совместно перерабатывать все виды антропогенных отходов данного города и региона. При этом более 80% отходов превращаются во вторичные ресурсы и биосферные вещества, восстанавливается качество окружающей природной среды путем санирования (оздоровления) старых свалок и других мер. По мнению авторов, данный вариант решения проблемы отходов, в основе которого лежит теория трофо-энергетического функционирования экосистем и круговорота веществ, позволяет: использовать экологически безопасные технологические процессы; исключить прямое сжигание органических веществ; обеспечить совместимость конечных продуктов с биосферой и включение их в круговорот веществ в природе; перекрыть затраты и издержки производства за счет реализации вторичных ресурсов, отдельных видов промышленной продукции, платы за отходы, предотвращения ущерба окружающей среде. Очень важной и пока еще не решенной проблемой является обезвреживание и захоронение 282 радиоактивных и диоксиносодержащих отходов. Общепризнанно, что избавление человечества от этих отходов одна из самых острых экологических проблем. В нашей стране действуют несколько законодательных и нормативно-правовых норм, определяющих использование, хранение и захоронение радиоактивных отходов, в частности нормы радиационной безопасности (НРБ-76/87). Правовые основы обеспечения радиационной безопасности в России определены в Федеральном законе «О радиационной безопасности населения» (1995 г.). Наиболее разработанными методами утилизации муниципальных радиоактивных отходов, т. е. отходов, не связанных с деятельностью АЭС и военно-промышленного комплекса, являются цементирование, остекловывание, битуминирование, сжигание в керамических камерах и последующее перемещение продуктов переработки в специальные хранилища («могильники»). На специальных комбинатах и пунктах захоронения радиоактивные отходы сжигают до минимальных размеров в прессовочной камере. Полученные брикеты помещают в пластиковые бочки, заливают цементным раствором и отправляют в хранилища («могильники»), врытые в землю на 510 м. По другой технологии их сжигают, превращают в пепел (золу), упаковывают в бочки, цементируют и отправляют в хранилища. Для утилизации жидких радиоактивных отходов используют методы остекловывания, битуминирования и др. При остекловывании при температуре 12501600 С образуются гранулированные стекла, которые также заковывают в цемент и в бочки, а затем отправляют в хранилища. Однако, по мнению многих специалистов, долговечность бочек-контейнеров сомнительна. Всего в России действуют 16 спецкомбинатов и пунктов захоронения муниципальных отходов. Один из них НПО «Радон», расположенный в 100 км от Москвы, где перерабатывается ежегодно 3000 м3 твердых и 350 м3 жидких радиоактивных отходов (Кузнецова, 1995). В 1993 г. проведена первая в стране инвентаризация мест хранения и захоронения радиоактивных отходов и разработан «Порядок осуществления экологического контроля за охраной окружающей среды при производстве, использовании, захоронении радиоактивных материалов». В настоящее время сбор, хранение и мониторинг хранения радиоактивных отходов строго регламентирован. Тем не менее практически все существующие способы утилизации и захоронения радиоактивных отходов не решают проблему кардинально и, как отмечает А. Я. Яблоков (1995), не видно приемлемых путей их решения. Особенно это касается утилизации и захоронения радиоактивных отходов АЭС и ядерных военных производств и в первую очередь тех из них, которые относят к категории особо опасных (высокоактивных). По некоторым сведениям, их накопилось в мире более 1200 т и объем их ежегодно увеличивается. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) считает предпочтительным захоронение радиоактивных отходов в твердом и отвержденном виде, однако не исключает возможности захоронения и жидких отходов путем перевода их в геологические формации. Так, например, разработан метод захоронения особо опасных радиоактивных отходов в подземные емкости некоторых геологических формаций (массивы каменной соли, скальных пород и др.) на глубину не менее 600 м. Однако этот метод не является экологически безопасным, и ученые ищут другие более приемлемые и надежные способы. Научные коллективы Российского космического агентства и ряд других сформировали два основных возможных направления локализации высокоактивных радиоактивных отходов: 1. Удалить их навечно, без возможного возврата на Землю, в космическое пространство, за пределы Солнечной системы или на околосолнечные орбиты. Такую идею в свое время выдвигали российские и американские ученые. 2. Ликвидировать физические радиоактивные изотопы, произвести резкое ускорение их превращения, в первую очередь долгоживущих в стабильные, т. е. провести процесс трансмутации. К таким изотопам относятся: нептуний-237, углерод-14, техниций-99, цезий-135, цирконий-93. Эти направления, сформулированные Л. Катерняком в работе «Избавит ли конверсия Землю от 283 радиоактивных отходов» (1995) вызывают неоднозначную оценку. К тому же ст. 50 Закона РСФСР «Об охране окружающей природной среды» (1991) прямо запрещалось размещение радиоактивных отходов путем отправки их в космическое пространство или затопление. Активная борьба с другими весьма опасными диоксиносодержащими отходами ведется в США, Японии, странах Западной Европы. По данным печати, в этих странах запрещено использование нескольких десятков диоксиносодержащих веществ, а также низкотемпературное сжигание мусора; изменяются технологии, например, производства бумаги, внедряется повсеместный строжайший контроль за содержанием диоксинов в промышленной продукции, отходах и продуктах. Для борьбы с диоксиносодержащими отходами в нашей стране важное значение имело принятие летом 1993 г. проекта первого этапа федеральной программы «Защита окружающей природной среды и населения от диоксинов и диоксиноподобных токсикантов». В настоящее время в Российской Федерации утверждены нормы предельно допустимых концентраций для диоксинов 0,5 пг/м3 (в пересчете на 2,3,7,8 ТХДД). Разработаны и внедрены (на водопроводах Уфы и Москвы) технологии очистки воды от диоксинов сорбцией на гранулированных активных углях (ГАУ). Проблема борьбы с диоксинами осложняется отсутствием в достаточном количестве современной аналитической аппаратуры, малым числом специальных лабораторий, недостаточной обученностью персонала, высокой стоимостью приборов зарубежных фирм и т. д. Решение весьма сложной проблемы защиты окружающей среды от радиоактивных, диоксиносодержащих и других опасных отходов требует дальнейшей концентрации усилий, специалистов разного профиля и огромных капиталовложений. Защита от шумового воздействия Как и все другие виды антропогенных воздействий, проблема загрязнения среды шумом имеет международный характер. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), учитывая глобальный характер шумового загрязнения окружающей среды, разработала долгосрочную программу по снижению шума в городах и населенных пунктах мира. В России защита от шумового воздействия регламентируется Законом РФ «Об охране окружающей среды» (ст. 55), а также постановлениями правительства о мерах по снижению шума на промышленных предприятиях, в городах и других населенных пунктах. Защита от шумового воздействия очень сложная проблема, и для ее решения необходим комплекс мер: законодательных, технико-технологических, градостроительных, архитектурнопланировочных, организационных и др. Для защиты населения от вредного влияния шума нормативно-законодательными актами регламентируется его интенсивность, время действия и другие параметры. Госстандартом установлены единые санитарно-гигиенические нормы и правила по ограничению шума на предприятиях, в городах и других населенных пунктах. В основу норм положены такие уровни шумового воздействия, действие которых в течение длительного времени не вызывают неблагоприятных изменений в организме человека, а именно 40 дБ днем и 30 ночью. Допустимые уровни транспортного шума установлены в пределах 8492 дБ и со временем будут снижаться. Технико-технологические меры сводятся к шумозащите, под которой понимают комплексные технические меры по снижению шума на производстве (установка звукоизолирующих кожухов станков, звукопоглощение и др.), на транспорте (глушители выбросов, замена колодочных тормозов на дисковые, шумопоглощающий асфальт и др.). На градостроительном уровне защита от шумового воздействия может быть достигнута следующими мероприятиями (Швецов, 1994): зонированием с выносом источников шумов за пределы застройки; организацией транспортной сети, исключающей прохождение шумных магистралей через жилые застройки; удалением источников шума и устройством защитных зон вокруг и вдоль источников 284 шумового воздействия и организацией зеленых насаждений; прокладкой магистралей в туннелях, устройством шумозащитных насыпей и других поглощающих шум препятствий на путях распространения шума (экраны, выемки, кавальеры). Архитектурно-планировочные меры предусматривают создание шумозащитных зданий, т. е. таких зданий, которые обеспечивают помещениям нормальный акустический режим с помощью конструктивных, инженерных и других мер (герметизация окон, двойные двери с тамбуром, облицовка стен звукопоглощающими материалами и др.). Определенный вклад в защиту среды от шумового воздействия вносят запрещения звуковых сигналов автотранспортом, авиаполетов над городом, ограничение (или запрещение) взлетов и посадок самолетов в ночное время и другие организационные меры. Однако указанные меры вряд ли дадут должный экологический эффект, если не будет понято главное: защита от шумового воздействия проблема не только техническая, но и социальная. Необходимо воспитывать звуковую культуру (Бондаренко, 1985) и осознанно не допускать действий, которые способствовали бы возрастанию шумового загрязнения среды. Защита от электромагнитных полей и излучений Защита от электромагнитных полей и излучений в нашей стране регламентируется Законом РФ «Об охране окружающей среды» (2002 г.), а также рядом нормативных документов («Временные санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия электромагнитных полей, создаваемых радиотехническими объектами» ВСН 296384) и др. Основной способ защиты населения от возможного вредного воздействия электромагнитных полей от линий ЛЭП создание охранных зон шириной от 15 до 30 м в зависимости от напряжения ЛЭП. Данная мера требует отчуждения больших территорий и исключения их из пользования в некоторых видах хозяйственной деятельности. Уровень напряженности электромагнитных полей снижают также с помощью устройства различных экранов, в том числе из зеленых насаждений, выбора геометрических параметров ЛЭП, заземления тросов и других мероприятий. В стадии разработки находятся проекты замены воздушных линий ЛЭП на кабельные и подземной прокладки высоковольтные линии. Для защиты населения от неионизирующих электромагнитных излучений, создаваемых радиотелевизионными средствами связи и радиолокаторами также используется метод защиты расстоянием. С этой целью устраивают санитарно-защитную зону, размеры которой должны обеспечить предельно допустимый уровень напряженности поля в населенных местах. Коротковолновые радиостанции большой мощности (свыше 100 кВт) размещают вдали от жилой застройки, вне пределов населенного пункта. Концепция нормирования электромагнитных полей и излучений предусматривает (Государственный доклад…, 1995): выработку единой системы нормативных значений предельно допустимых уровней электромагнитных полей и излучений; защиту природных ресурсов от потерь, обусловленных действием этих полей на различные компоненты природной среды; предотвращение значительных функциональных нарушений экосистем в результате прямого или косвенного воздействия полей на те или иные компоненты этих систем. По мнению В. В. Плотникова (1985), в интересах охраны здоровья человека полезно продумать не только меры защиты живых систем от антропогенных электромагнитных полей, но и возможности практического использования защитных свойств самих экосистем. Защита от негативного биологического воздействия Предупреждение, своевременное выявление, локализация и устранение биологического загрязнения достигается комплексными мерами, связанными с противоэпидемической защитой 285 населения. В число мер входят санитарная охрана территории, введение в необходимых случаях карантина, постоянный эпиднадзор за циркуляцией вирусов, эколого-эпидемиологические наблюдения, слежение и контроль за очагами опасных вирусных инфекций. С экологической точки зрения существенно важно предварительное обоснование и прогнозирование возможных последствий, в частности, интродукции и акклиматизации новых для данной территории видов растений и животных (Малашевич, 1987). Федеральный закон «Об охране окружающей среды» (2002 г.) требует строгого соблюдения нормативов допустимой концентрации в природной среде микробов, грибков, вирусов и иных видов микроорганизмов и биологических веществ. Этим же законом запрещается применение и разведение биологических объектов, не свойственных природе соответствующего региона, а также полученных искусственным путем, без разработки мер предотвращения их неконтролируемого размножения. В организационном плане требуются срочные меры по организации в России вирусологической службы. Важное значение для обеспечения биобезопасности и сохранения биоразнообразия имеют также профилактические меры по недопущению переноса генетической информации от домашних форм к диким видам и сокращению риска генетического загрязнения генофонда редких и исчезающих видов. Согласно «Экологической доктрине Российской Федерации» (2002 г.) для предотвращения террористических актов, вызывающих ухудшение экологической обстановки и деградацию природной среды, необходимо в частности: предотвращение ввоза и распространения видов живых организмов, вызывающих нарушения в экосистемах, вредителей, переносчиков и возбудителей заболеваний; создание систем оповещения и ликвидации последствий экологического терроризма. Контрольные вопросы 1. Перечислите основные направления инженерной защиты окружающей среды. 2. Почему создание даже самых совершенных очистных сооружений не решает проблему загрязнений окружающей среды? 3. Оцените роль малоотходных и безотходных технологий в защите среды обитания от загрязнения. 4. При решении каких прикладных экологических вопросов находит применение биотехнология? 5. Что понимают под качеством окружающей среды? 6. Какова роль и значение экологического нормирования? 7. Что представляет собой ПДК и другие экологические нормативы? 8. Объясните понятие «экологическая емкость территории». 9. С помощью какого экологического норматива устанавливают пределы хозяйственной нагрузки на природные комплексы и ресурсы? 10. Охарактеризуйте современные методы пылегазоочистки. 11. В чем суть оборотного водоснабжения? 12. Каким образом очищают сточные воды? Назовите метод, который является завершающим в системе очистки сточных вод. 13. Что такое зоны санитарной охраны (ЗСО)? 14. Как предотвращают истощение запасов пресных подземных вод? 15. Как защищают почвы от эрозии и заболачивания, загрязнения и вторичного засоления? 16. Что вы знаете об очагах беспестицидного земледелия? 17. Какие экологические принципы положены в основу рационального использования недр? 18. Что такое рекультивация земель? 19. В чем заключается стратегическая линия защиты и рационального использования оползневых, селевых, закарстованных и других массивов горных пород? 286 20. Как сохраняют численность и популяционно-видовой состав растений? 21. При соблюдении каких принципов промысел и охота становятся активной формой охраны животных и способствуют оздоровлению их популяций? 22. Что означает включение видов животных и растений в Красную книгу? 23. Что такое особо охраняемые природные территории (ООПТ)? Объясните разницу между их основными категориями. 24. Как перерабатывают твердые бытовые и промышленные отходы? 25. Расскажите, какая борьба ведется с особо опасными радиоактивными и диоксиносодержащими отходами. 26. Назовите комплекс мер для защиты от шумового воздействия. 27. В чем суть основного метода защиты от электромагнитных полей и излучений? 28. Как защищают население и биотические сообщества от биологического загрязнения? 287 ГЛАВА 21. ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 21.1. ЭКОЛОГИЧНОЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ По оценке отечественных и зарубежных специалистов, одним из основных направлений улучшения экологической обстановки в мире и сохранения здоровья населения является снижение уровня потребления природных энергетических ресурсов. Рассмотрим значение этого вопроса на примере жилищно-строительной сферы одного из главных потребителей энергии как у нас в России, так и за рубежом. В России на нужды жилищностроительного комплекса расходуется в год почти 240 млн т условного топлива, что составляет 20% всех потребляемых в стране топливо-энергетических ресурсов. Поэтому в условиях нарастающего в мире энергетического кризиса и роста стоимости энергоносителей снижение энергопотребления полностью отвечает принципам устойчивого развития, т. е. стратегии экологически устойчивого (самоподдерживающегося) социально-экономического развития. Энергосбережение предусматривает крайне экономное расходование энергетических ресурсов. Не случайно поэтому на Конференции ООН в Рио-де-Жанейро (1992) и последующих саммитах особое внимание обращалось на всемирное сбережение энергии и максимально эффективное ее использование. То, что энергосбережение является магистральным путем устойчивого развития общества, объясняется несколькими причинами. Во-первых, исчерпаемостью (конечностью) органических природных энергетических ресурсов. Во-вторых, резким повышением стоимости природных энергоресурсов. В-третьих, рост энергопотребления сопровождается значительным усилением негативного антропогенного воздействия на естественные экологические системы и природные комплексы. Экономически развитые страны Европы, а также США, Япония и другие страны повышенное внимание к проблемам энергосбережения стали уделять после мирового энергетического кризиса в 70-е годы. Приоритетной была признана концепция, направленная на энергосбережение, а не на все возрастающее производство новых энергоресурсов. В результате реализации этой программы к середине 90-х годов годовой расход энергии в указанных странах в среднем был снижен на 3040%. В связи с резким удорожанием энергии организационные процессы по энергосбережению начались и у нас в России. Энергосбережение официально было признано главным направлением в энергетической стратегии страны. В январе 1998 г. Правительство России утвердило Федеральную целевую программу «Энергосбережение России на 19982005 годы». Несколько ранее, 9 июля 1997 г. правительством было принято постановление «О повышении эффективности использования энергетических ресурсов… предприятиями бюджетной сферы». Согласно решению Минстроя Российской Федерации от 11 августа 1995 г. «О принятии изменений № 3 в СНиП II-379 «Строительная теплотехника» в целях энергосбережения значительно повышены требования к термическому сопротивлению ограждающих конструкций зданий. В отечественном жилищно-строительном комплексе используются несколько видов энергоносителей: органическое топливо, электроэнергия и теплоэнергия. Существенные потери энергии наблюдаются на всех стадиях производства работ: от транспортировки топлива до его использования в строительных и жилищно-бытовых целях. Например, устаревшая технология центрального теплоснабжения, используемая в жилищно-бытовом секторе, приводит к значительным потерям энергоносителей. Б. А. Пермяков (2000), анализируя потери энергии в строительной отрасли, считает, что один из крупнейших потребителей газа промышленность строительных материалов еще слабо использует неограниченные возможности энергосбережения. Так, например, коэффициент полезного действия (КПД) заводов по производству стекла часто не превышает 3540%, на кирпичных заводах и предприятиях по производству керамических изделий потери теплоты в сушильных установках достигают 52%, а в печи 63%. Огромное количество теплоты уходит вместе с отходящими газами в окружающую среду при получении цементного клинкера по технологии мокрого способа и т. д. 288 И хотя в настоящее время практически для всех видов производств строительного профиля разработаны энергосберегающие, теплоутилизирующие установки и приняты другие теплозащитные меры, уровень энергоэффективности предприятий строительной отрасли и жилищно-коммунального хозяйства у нас в стране значительно ниже зарубежного. Мировая практика развития индустриальных стран показывает, что потребление энергии только в жилищном секторе может быть сокращено по крайней мере в 2 раза, если внедрять новейшие технологии производства и эксплуатации материалов и оборудования. К основным факторам, определяющим непроизводительные потери энергии в строительной сфере, специалисты относят: ориентацию строительной индустрии и промышленности строительных материалов на преимущественный выпуск и использование энергоемких материалов (кирпич, керамзитобетон и др.); применение ограждающих конструкций зданий с низким уровнем теплозащиты; несовершенство технических систем теплоснабжения и инженерного оборудования зданий; неэффективное использование градостроительных приемов, объемно-планировочных и конструктивных решений; недостаточное развитие нетрадиционных систем энергообеспечения. Переход к энергосберегающему производству требует не только реформирования экономических отношений и совершенствования технологий, но и изменения всего образа жизни, развития нового мышления. Следует постоянно помнить, что с учетом нынешней экологической обстановки в мире, альтернативы энерго- и ресурсосберегающим технологиям как в мире, так и в нашей стране не существует. Основные направления экологичного энергопотребления Введение новых российских теплотехнических требований поставило перед проектировщиками и строителями ряд сложных задач, требующих безотлагательного их решения. Главным направлением экологичного энергопотребления в сфере строительства и эксплуатации зданий и сооружений академик РААСН С. Н. Булгаков (1999) считает осуществление полного комплекса энергосберегающих мероприятий: градостроительных, архитектурно-планировочных, конструктивных, инженерных и эксплуатационных. При этом, по его мнению, удельная доля энергосбережения за счет совершенствования градостроительных решений должна составлять 810%, архитектурно-планировочных до 15%, конструктивных систем до 25%, инженерных систем до 30%, технологии эксплуатации (включая установку приборов учета, контроля и регулирования тепло- и электропотребления) до 20%. Энергосберегающие градостроительные решения, по мнению С. Н. Булгакова и других специалистов, должны включать: 1) установление моратория на расширение границ городов в течение 2030 лет с целью более рационального использования городских магистральных теплопроводов и других энергосистем; 2) включение в генпланы, программы и бизнес-планы застройки жилых кварталов мероприятий по ликвидации сквозных ветрообразующих пространств; 3) организацию замкнутых дворовых и внутриквартальных территорий; 4) использование естественной теплоты Земли и развитие подземной урбанизации с целью экономии энергоресурсов. В целях энергосбережения необходимо также правильное размещение и взаиморасположение зданий и жилых комплексов, использование защитных свойств рельефа и т. д. К эффективным решениям в области энергосберегающего архитектурно-планировочного направления относят строительство ширококорпусных жилых домов с сокращением удельной площади ограждающих конструкций на 1 м2 площади жилья, возведение мансардных этажей на существующих зданиях для предотвращения сверхнормативных потерь тепла через покрытия и др. 289 (рис. 21.1). Рис. 21.1. Устройство мансард из объемных блок-комнат с повышенными теплозащитными свойствами: а, б общий вид дома до и после реконструкции; в план мансарды При архитектурном проектировании жилых домов с целью сбережения энергии прибегают также к таким мерам, как упрощение конфигурации домов, оптимальная ориентация их по ветру и по солнцу, оптимизация внутренней планировки и т. д. Весомый вклад в энергосбережение в строительной сфере могут внести оптимальные конструктивные системы, применяемые при возведении и эксплуатации зданий. Известно, что при действующей практике проектирования и строительства более 60% тепла уходит через ограждающие конструкции: внешние стены, потолок, крышу, окна, двери и фундамент. Поэтому основной резерв теплосбережения кроется в надежной теплоизоляции всего корпуса жилого дома. Самый трудоемкий процесс утепление стен, ранее достигалось либо увеличением их толщины, либо использованием материалов с большим теплосопротивлением. Однако для удовлетворения новых требований по теплозащите кирпичные стены в центральных районах России нужно было бы проектировать толщиной не менее 1 м. Поэтому с учетом повышенных требований к теплоэффективности и к сбережению ресурсов, основным способом снижения теплопотерь становится утепление стен с помощью новых эффективных материалов с теплосопротивлением R от 0,19 до 0,42 на 1 см (табл. 21.1). Таблица 21.1 Характеристика основных утеплителей по данным зарубежных источников 290 Следует отметить, что в России на душу населения производится теплоизоляционных материалов в несколько раз меньше, чем в других экономически развитых странах. Объем выпуска этих материалов на 1000 жителей составляет в Японии 350 м3, Финляндии 416 м3, США 496 м3, в России 120 м3. К сожалению, в нашей стране практически не производятся ценнейшие утеплители из базальта и вермикулита. Недостаточно используются весьма перспективные отечественные материалы на основе вспученного перлита, геокар на основе торфа, тизол на основе гипса и др. В различных странах, в том числе и в России, при утеплении наружных стен крупнопанельных домов широко используется многослойная теплоизоляционная система (МТИС) «мокрого» типа. Академическим институтом инвестиционно-строительных технологий РААСН для всех климатических поясов России разработан сухой способ утепления наружных стен. Теплоэффективная архитектура дома немыслима без увеличения сопротивления теплопередачи окон, так как через них проходит от 20 до 70% всех потерь через ограждающие конструкции. При этом имеют значение типы остекления, виды остекленных пространств, типы теплоизоляции остекления. Стандартные конструкции окон, выпускаемые многими зарубежными фирмами, характеризуются полной герметичностью и жесткой рамой, двумя тремя слоями стекла с расстоянием между ними 812 мм и заменой воздуха между стеклами на инертный газ (аргон), либо вакуум. Как считают многие специалисты, существующие на сегодня в России повышенные нормативные теплозащитные требования могут быть выполнены лишь при использовании оконного заполнения из древесины и стеклопластика с тройным остеклением, либо специльных стеклопакетов с двойным слоем пленки. Для снижения потерь тепла перспективно также использование окон с теплоотражающими стеклами. Однако во всех случаях максимально возможная величина теплосопротивления окон будет ниже теплосопротивления стен, поэтому рекомендуется использовать дополнительные теплозащитные экраны: ставни, шторы, занавески и др. В районах с холодным климатом через фундамент здания теряется от 20 до 30% тепла от общих потерь через ограждающие конструкции. Для снижения этих потерь необходима тщательная теплоизоляция фундамента вместе с мероприятиями по водоотведению, парозащите и достаточной вентиляции подвальных помещений. Наибольший теплозащитный эффект дает теплоизоляция фундаментов с внешней стороны. 291 Энергосберегающие инженерные системы энергоисточники, оборудование, контрольноизмерительные приборы и др., по оценке специалистов, позволяют сократить расход тепла на отопление и нагрев воздуха на 2530%. Основные составляющие этого направления: использование высокопроизводительного котельного оборудования и повышение его КПД; устранение теплопотерь в системах централизованного теплоснабжения; переход на автономные системы горячего водоснабжения с использованием газовых или электронагревателей; введение поквартирной системы отопления; установка терморегулирующей аппаратуры для регулирования обогрева жилых зданий в зимний и осенне-весенний периоды, в дневное и ночное время и т. д. В аналитическом обзоре современных проблем экологичного энергопотребления (Аврорин и др., 1997) в числе других мер по сбережению энергии при проектировании и строительстве жилых зданий и сооружений названы: энергосберегающий образ жизни; обучение энергосберегающему проектированию и строительству; использование искусственной вентиляции с рекуперацией тепла и уменьшением неконтролируемого воздухообмена; сбережение электроэнергии на освещение с помощью новых типов светильников (в основном люминесцентных ламп) и использование более эффективных холодильников, телевизоров и др.; использование строительных материалов с минимальной затратой энергии на их добычу и транспортировку; использование строительной техники без тяжелых энергоемких строительных машин и оборудования; рациональная организация строительных работ и сокращение сроков строительства; компьютерное математическое моделирование, оптимизация всех теплозащитных характеристик и контроль за работой инженерных систем. Как справедливо отмечают авторы аналитического обзора, правильное соотношение характеристик дома является ключевым в вопросах сбережения энергии. «Мы можем сколько угодно утеплять стены, но не получим желаемого эффекта, если не предпримем меры, предотвращающие неконтролируемый обмен воздухом с внешней средой, или не утеплим в достаточной мере окна и двери». В уже существующей жилой застройке в первую очередь экологическое энергопотребление следует начинать с проведения энергетического аудита, совершенствования инженерного оборудования и теплоизоляции корпусов жилых домов, установки приборов автоматического регулирования отпуска тепла. Основные энергосберегающие мероприятия при проектировании, строительстве и эксплуатации жилых зданий и сооружений, рассмотренные выше, в обобщенной форме отражены на рис. 21.2. 292 Рис. 21.2. Основные энергосберегающие мероприятия в жилищно-строительной сфере Резервы строительного комплекса в области экологичного энергопотребления огромны. В последние годы в нашей стране намечается повышение эффективности использования топливноэнергетических ресурсов, чему в немалой степени способствовали принятые законодательные и нормативные документы в области энергосбережения. Энергосберегающие заглубленные здания Значительное сбережение энергоресурсов в жилищно-строительной сфере может быть достигнуто и с помощью строительства заглубленных жилых зданий, которые принято называть энергосберегающими. В истории использования подземного пространства в энергетических целях выделяют три этапа: первый приспособление человеком естественных и искусственно созданных им пещер и других подземных выработок для защиты от неблагоприятного погодного воздействия, второй строительство отдельных зданий и единичных «подземных городов», не требующих при эксплуатации значительных энергозатрат; третий в условиях энергетического и экологического кризиса массовое строительство заглубленных зданий, позволяющих экономить энергоресурсы при 293 их эксплуатации и в наименьшей степени загрязнять окружающую среду. Экологический аспект этой проблемы ярко очерчен в работе Р. Стерлинга, Дж. Кармоди и др. (1983), подчеркнувших, что «человек всегда обращался к земле, чтобы защититься от воздействия неблагоприятных и экстремальных климатических условий. Лишь исторически непродолжительная эра доступного и дешевого топлива позволила строить дома, не зависящие от климатических условий, и снабжать эти дома энергией… Теперь, когда количество природного топлива сокращено, а цены на него быстро растут, настало время пересмотреть взгляды на те возможности, которые предлагает нам земля. При имеющихся в нашем распоряжении конструкциях нет необходимости возвращаться к пещерам. Цель строительства заглубленных жилищ поддержать или улучшить взаимоотношение их с окружающей средой; используя землю как одеяло, укрыть здание со всех сторон, земля защитит его как барьер от ветра, холода, нежелательной инфильтрации осадков и будет препятствовать потерям тепла». Энергосберегающие заглубленные здания по глубине заложения подразделяют на полузаглубленные (отвальные), заглубленные (мелкого и глубокого заложения) и врезанные в склоны (рис. 21.3, Швецов, 1994), а по характеру объемно-планировочного решения на возвышающиеся, врезанные в крутые откосы, здания с внутренними двориками и здания сквозного типа. Рис. 21.3. Типы заглубленных зданий в зависимости от степени заглубления: 294 а полузаглубленные; б заглубленные; в врезанные в склоны По К. К. Швецову (1994), необходимый эффект снижения энергозатрат при эксплуатации заглубленных зданий может быть достигнут лишь при соблюдении ряда требований, касающихся выбора места для строительства, определения типа здания и глубины его заложения, размещения на участке и ориентации, наличия соответствующего инженерного оборудования и т. д. Эффективность снижения энергопотребления во многом будет определяться защитной толщей грунта (обсыпкой), а также компактностью планировочных решений (предпочтительнее кубическая и близкие к ней формы зданий), конструктивными решениями теплоизоляции и гидроизоляции. Поскольку заглубленные жилые здания возводят только с условием их естественного освещения и инсолирования, их не строят более одного двух этажей. Определенный эффект в снижении энергопотребления в этих зданиях может быть достигнут при использовании солнечной энергии (активные и пассивные гелиосистемы) и других нетрадиционных источников энергии. Участки земной коры, а точнее подземное пространство, пригодное для размещения объектов различного назначения, с градостроительных позиций рассматривалось нами выше. Помимо экологоградостроительных выгод освоение подземного пространства позволяет значительно сократить затраты энергоресурсов при эксплуатации объектов различного назначения. Например, в Швеции строительство подземных сооружений для хранения нефти и нефтепродуктов объемом более 100 тыс. м3 более экономично, чем наземных, так как при этом потребление энергии на отопление снижается в 3 раза и на охлаждение в 10 раз. Концепция энергосберегающего экодома Экодомом называют автономный малоэтажный дом, в котором в максимально возможной степени используются природные процессы для обеспечения его жизнедеятельности, включая энергообеспечение и переработку всех видов отходов. В случае если здание вносит определенные помехи в круговорот веществ и энергии, но в целом обеспечивает благоприятную для человека внутреннюю среду, необходимую связь с окружающим ландшафтом, максимально использует тепловую энергию, его называют экологичным (Тетиор, 1991). Различают следующие их виды: энергосберегающие, гелиоэнергоактивные, биоэнергоактивные, ветроэнергоактивные и др. Экодом своеобразная экологическая антропогенная экосистема, биологически активный объект. Он включает в себя и окружающий участок ландшафта, в пределах которого осуществляется полная утилизация отходов и повышается биологическая активность почвы. Главное отличие экодома от традиционного дома это наличие в нем систем жизнеобеспечения, организованных по принципу экосистем, и независимость от городских сетей аналогичного назначения. При этом экодом не является полностью замкнутой искусственной экосистемой, подобно создаваемым ранее в США системам, стимулированным космическими программами и оказавшимися непригодными для длительного пребывания в них человека из-за ухудшения микробиологического состава внутренней среды. Экодом это открытая система, тесно связанная с окружающей природной средой и образующая с ней единую экологическую систему (рис. 21.4). 295 Рис. 21.4. Проектное предложение по созданию экологически чистого дома (по В. И. Белоусову, 1998) Экологически чистый энергоэффективный жилой дом разработан сотрудниками НПО «Инсолар» совместно с американской фирмой «Peace Ecology» (АВОК, 1994, № 12). Теплоснабжение, горячее водоснабжение и кондиционирование осуществляются в нем с помощью нетрадиционных источников энергии. По сравнению с традиционными аналогами существующее инженерное оборудование позволяет снизить затраты энергии на эксплуатацию на 6070%. В качестве источников низкопотенциального тепла для испарителей теплонасосных установок АНТУ10 и ТУГВ-200 используется грунт поверхностных слоев и вентиляционные выбросы. Площадь застройки 260 м2, число этажей 3, высота комнат 3 м. По А. В. Аврорину (1999), основные преимущества экодома в энергосбережении и сохранении окружающей среды в сравнении с обычными малоэтажными домами следующие: отсутствие дорогостоящих централизованных коммуникаций теплоснабжения и канализации. Использование при необходимости автономных электрогенераторов и артезианских вод (при их наличии); эффективное энергосбережение за счет высокой степени теплоизоляции ограждающих конструкций. Сбережение энергии при вентиляции и кондиционировании; непременное использование солнечной энергии для обогрева дома и получения горячей воды. В лучших конструктивных образцах экодомов за счет этого источника получают до 80% энергии; освещение экодома, как правило, электрическое с использованием экономичных источников света: галогенных и люминесцентных ламп, которые могут работать и от солнечных батарей; утилизация с помощью биореакторов всех видов органических отходов, которые перерабатываются в компост и затем используются в теплице и на приусадебном участке в качестве естественного удобрения. Таким образом культивируются биоинтенсивные системы земледелия без использования химикатов и удобрений извне, при этом биологическая активность почвы увеличивается; 296 уменьшение экологической нагрузки на окружающую среду с помощью экономии материальных ресурсов, использование щадящих природу ресурсосберегающих строительных и возобновляемых материалов; использование в архитектуре экодома энергосберегающих и эстетических принципов, соответствующих историческим, национальным и культурным особенностям его обитателей и территории. Этим перечнем далеко не исчерпываются все экологические преимущества экодомов. Помимо решения проблем энергосбережения и ряда других экологическую привлекательность им могут придавать: применение только природных (преимущественно местных) строительных материалов с пониженной эмиссией летучих компонентов; консервация дождевой воды, очистка воды с помощью локальных очистных сооружений; биопозитивность дома (озеленение крыши, фасада и балконов, декор дома и др.); автоматизация экологического контроля за взаимодействием экодома и окружающей природной средой. Создание энергосберегающих экодомов в мире активно практикуется с начала 70-х гг. и, несмотря на все препятствия, их количество неуклонно растет. Так, например, в Германии число энергопассивных, т. е. с нулевым теплопотреблением, домов превысило одну тысячу, а количество домов с низким теплопотреблением исчисляется многими тысячами. В Швеции построены сотни экодомов особой конструкции, с замкнутым циклом водо- и энергоснабжения и специальным биореактором по переработке органических отходов. Активно используются альтернативные источники энергии: солнечные батареи, ветрогенераторы, генераторы биогаза. Экодома такого типа начинают строить и в России. Например, по данным Е. и М. Кондрашовых (2001), в настоящее время проектируется строительство экопоселения в Тамбовской области. В состав экодомов будут входить зимние сады, теплицы, ориентированные на юг солнечные коллекторы, тепловые аккумуляторы, генераторы биогаза и т. д. Авторы полагают, что по теплозащитным и экологическим показателям подходящим материалом для возведения стен одноэтажных зданий будет глино-соломенная смесь. Интересно, что в Швеции и США до сих пор стоят дома, построенные из соломенных тюков еще в XIX в. Идея создания экодомов с использованием природных циклов жизнеобеспечения весьма обнадеживает, ибо, на наш взгляд, это не только экономия энергоресурсов и внедрение нетрадиционных возобновимых источников энергии, не только реализация энергосберегающего образа жизни, но, главное, впечатляющий пример «во всех отношениях безопасного и достойного сосуществования людей и окружающей природы». Остается надеяться, что удачные образцы экодомов будут стимулировать развитие массового экологического энергосберегающего домостроения в нашей стране. 21.2. НЕТРАДИЦИОННЫЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ Понятие устойчивого развития включает в себя как обязательный компонент постепенный переход от энергетики, основанной на сжигании органического топлива (нефть, уголь, газ и др.), к нетрадиционной (альтернативной) энергетике, использующей возобновляемые экологически чистые источники энергии солнце, ветер, энергию биомассы, подземное тепло и др. (рис. 21.5). 297 Рис. 21.5. Классификация возобновляемых источников энергии (Энергоактивные здания, 1988, с изм.) В послании международной экологической организации Гринпис правительствам всех стран отмечается, что «правительства должны признать, что углеводородное топливо основная причина изменения климата и что единственной стабильной системой энергоснабжения, способной отвечать нашим энергетическим потребностям, может быть система, основанная на возобновляемых источниках энергии». Основные преимущества возобновляемых источников энергии хорошо известны: практическая неисчерпаемость запасов (рис. 21.5) и относительная экологическая безвредность, в связи с отсутствием побочных эффектов, загрязняющих природную среду. Сдерживает их развитие недостаточный на сегодняшний день технический уровень индустриальных методов использования. В жилищно-строительной сфере, как и во всех других видах человеческой деятельности, использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии получило широкое развитие. Энергия Солнца. В современной мировой практике энергоснабжения излучение Солнца возможно, главный нетрадиционный источник энергии. Появилась новая отрасль энергетики гелиоэнергетика, созданы специальные энергетические установки гелиосистемы. «Ливень» солнечной энергии неисчерпаем. Лишь незначительная часть излучения Солнца (0,02%) попадает в биосферу Земли, но и этого количества энергии достаточно, чтобы в тысячи раз 298 перекрыть общую мощность всех электростанций мира. К недостаткам солнечной энергии относят дискретность (прерывистость) ее поступления на поверхность Земли (по часам суток, времени года, географическим поясам) и зависимость от метеорологических условий. Например, в России специалисты рекомендуют размещать гелиополигоны южнее 55 с. ш. В связи с этим многие зарубежные ученые работают над проблемой выноса гелиосистем на околоземную орбиту. Предполагается строительство в Европе 40 спутниковых солнечных электростанций, способных обеспечить около 20% потребности в электроэнергии. Однако не исключено, что солнечные электростанции могут причинить ущерб окружающей среде в процессе передачи энергии на Землю (А. И. Мелуа и др., 1988). Существует два основных направления использования солнечной энергии: выработка электрической энергии и получение тепловой энергии (теплоснабжение). Применение солнечных электрогенераторов находится все еще в начальной стадии, зато использование солнечного теплоснабжения для обогрева жилых зданий занимает в мировой практике уже значительное место. Так, в США в 1977 г. насчитывалось около 1000 солнечных домов, в 90-е гг. число их превысило 15 тыс. Солнечные установки для подогрева воды имеют 90% домов на Кипре и 70% в Израиле. Только за последние 15 лет в Японии построены сотни тысяч зданий с солнечным подогревом, что позволило резко уменьшить выбросы в атмосферу диоксида углерода и других парниковых газов. Солнечная энергетика в России развита совершенно недостаточно, хотя половина ее территории находится в благоприятных для использования солнечной энергии условиях в год ее поступает не менее 100 кВт ч/м2, а в таких районах, как Дагестан, Бурятия, Приморье, Астраханская область и др. до 200 кВт ч/м2 (Стребков, 1993). Солнечная энергия очень удобна для энергоснабжения зданий. Как показали экспериментальные исследования, только за счет энергии солнечных лучей, падающих на ограждающие конструкции зданий, можно полностью решить энергетические проблемы, связанные с их обогревом, горячим водоснабжением и др. Существует три вида гелиосистем, служащих для удовлетворения тепловых нужд здания: пассивные, активные и смешанные (Швецов, 1994). В пассивных гелиосистемах само здание служит приемником и преобразователем солнечной энергии, а распределение тепла осуществляется за счет конвенции. Основным элементом более дорогостоящей активной гелиосистемы является коллектор приемник солнечной энергии, где солнечный свет преобразуется в тепло. Гелиоколлектор представляет собой теплоизолированный ящик: видимый свет от солнца проходит сквозь прозрачное покрытие (стекло или пленку), попадает на зачерненную панель и нагревает ее. При специальной конструкции коллектора внутри его достигается очень высокая температура, позволяющая успешно осуществлять горячее водоснабжение. Оценивая эффективность применения солнечного теплоснабжения в нашей стране, Н. Пинигин и А. Александров (1990) показали, что использование солнечных установок в режиме круглогодичного горячего водоснабжения зданий экономически целесообразно практически для всей южной части Российской Федерации. В последние годы созданы установки с сезонным аккумулированием тепла, что позволяет даже в условиях Сибири сохранить до 30% топливных ресурсов и использовать их для обогрева небольших домов в зимний период. Необходимы дальнейшие поиски использования солнечной энергии не только в южных, но и в северных районах России, особенно учитывая, что в Норвегии и Финляндии такой опыт уже имеется. Использование солнечной энергии в жилищно-строительной сфере не ограничивается только теплоснабжением жилых зданий. Так, АО «ПИ-2» разработало серию проектов гелиополигонов (стационарных и мобильных, сезонных и круглогодичного действия), в которых впервые в мире для термовлажностной обработки сборных железобетонных конструкций и изделий была использована солнечная энергия без промежуточных превращений (Великолепов, 1995) (рис. 21.6). После укладки гелиопокрытия (СВИТАП) железобетонное изделие превращается в аккумулятор тепла, после чего 299 начинает действовать другой источник тепла экзотермия цемента. Рис. 21.6. Общий вид и технологическая схема гелиополигона круглогодичного действия: 1 гелиокамеры; 2 форма на колесах; 3 СВИТАП; 4 запирающий щит; 5 инфракрасные излучатели; 6 механизм передвижения форм; 7 производственный корпус с БСЦ; 8 бетоновозная эстакада; 9 склад арматурных каркасов; 10 бетоноукладчик; 11 склад готовой продукции с зоной дозревания; 12 козловой кран Строительство таких гелиополигонов позволяет: сократить объемы строительно-монтажных работ, повысить долговечность и качество изделия, снизить его стоимость, отказаться от котельной, теплотрасс, пропарочных камер, уменьшить нагрузку на окружающую среду и, главное, экономить условное топливо. По мнению авторов проекта, необходимо пересмотреть способы производства сборного железобетона и создать условия для широкого внедрения энергосберегающих технологий, использующих солнечную энергию. 300 В заключение приведем высказывание лауреата Нобелевской премии Жореса Алферова (2001) по поводу использования солнечной энергии: «Солнце это термоядерный реактор, который работает миллионы лет надежно и безопасно. И задача преобразования солнечной энергии в электрическую будет решена. Может быть, даже в нашем ХХI веке. Академик Иоффе мечтал о солнечной энергетике и ее широком применении, когда КПД солнечных преобразований равнялся 0,1%. Сегодня КПД солнечных преобразований на гетероструктурах достиг 35%. Да, это попрежнему дороже, чем атомная энергетика. Но дороже не на порядок, а лишь в несколько раз. И хочется верить, что лет через пятнадцать двадцать солнечная энергетика будет сравнима или даже обойдет другие виды». Завораживающей сознание выглядит идея, предложенная японскими специалистами, о строительстве единой для всей планеты гигантской солнечной электростанции где-нибудь в Сахаре или пустынях Австралии. Для этой станции потребовалась бы площадь, эквивалентная квадрату со стороной 800 км. Но уже сейчас суммарная площадь солнечных отражателей, используемых в мировой практике, превышает 6 млрд м2 (США 1,8 млрд м2, Япония 1,3 млрд м2 и т. д.). Энергия ветра. Направление энергетики, связанное с ветровой энергией, называют ветроэнергетикой, а здания, в которых энергия ветра преобразуется в электрическую, тепловую и другие виды энергии, ветроэнергоактивными. Ветроэнергетика становится рентабельной при средних скоростях ветра от 3 до 10 м/с при повторяемости около 6090% и, следовательно, может использоваться лишь в районах с постоянным ветром (Крайний Север, побережье Охотского моря, Камчатка, Курилы, Прикаспийская низменность и др.). В ветроэнергоактивном здании энергия ветра преобразуется с помощью ветрового колеса, размещенного в здании. Основным рабочим органом является ротор, который вращает генератор. По А. Н. Тетиору (1991), важной экологической проблемой является защита здания и жителей от механических колебаний, генерируемых ветроустановкой. Применение различных способов виброизоляции, включая размещение ветроэнергетических установок вне жилых зданий, приводит к удорожанию их строительства. Значительным недостатком ветроэлектростанции является также генерация ими инфразвукового шума. И, тем не менее, ветроэнергетика имеет большое будущее. За последние 20 лет она прошла путь от небольших агрегатов до современной многомиллиардной отрасли, обеспечивающей большое количество энергосистем. В 2001 г. ветротурбины, мощность которых составляла 14 000 МВт, генерировали «чистую» электроэнергию в более чем 30 странах мира. Только в США работает 9000 ветровых электроустановок, в Дании 1500. По данным Европейской ассоциации ветровой энергии, к 2020 г. ветровые электростанции обеспечат 10% мировой потребности в электроэнергии. Геотермальная энергия. На территории СНГ запасы еще одного нетрадиционного источника энергии геотермального тепла, оцениваются в десятки миллионов тонн условного топлива. Идея использования тепла Земли как альтернативного энергоресурса не нова. Еще в 20-е гг. ХХ в. К. Э. Циолковский и В. А. Обручев считали возможным использование геотермального тепла. К началу ХХI в. мощность энергии геотермальных систем в мире превысила 16 млн кВт ч, что достаточно для обогрева многих тысяч квартир. Исландия полностью отказалась от использования органического топлива, и широко использует геотермальные воды. Наиболее экономически выгодный вариант использования геотермального тепла строительство ГЭС с использованием водяного пара (температурой 200400 С). К сожалению, месторождения термального пара в России, да и в мире, редки, поэтому основное применение находят геотермальные (теплоэнергетичекие) воды с температурой до 200 С, выходящие на поверхность земли в виде источников. Достаточно упомянуть в связи с этим Паужетскую гидротермальную станцию, построенную в 1967 г. на Камчатке. Перспективным направлением в энергосбережении специалисты считают извлечение тепловой энергии из водонасыщенных пластов, залегающих на глубинах 23 км и имеющих температуру 150200 С. На выбранной площадке бурятся вертикальные и наклонные нагнетательные скважины, 301 по которым закачивается теплоноситель, который прогревается горячими породами, а затем откачивается. Подобная теплоэнергетическая система называется циркуляционной и ее применение вполне целесообразно во многих районах СНГ (Северный Кавказ, Крым, Армения, Закарпатье и др.). Первая в России термоциркуляционная система действовала в г. Грозном, где вода после использования в теплицах нагнеталась на глубину 1 км, там она вновь нагревалась. Энергия биомассы. Биомасса это выраженное в единицах массы количество живого вещества организмов, приходящееся на единицу площади или объема. В процессе переработки она преобразуется в органические отходы и биогаз. В настоящее время биомасса широко используется в качестве топлива, что является результатом постоянных усилий ученых и специалистов по созданию экологически чистой энергии и предотвращению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. В энергетических целях биомассу либо сжигают, используя теплоту сгорания (в этом случае продукты пиролиза могут загрязнять атмосферу), либо перерабатывают путем анаэробного сбраживания с целью получения биогаза (рис. 21.7). Биогаз, состоящий на 6070% из метана и на 2040% из углекислого газа, получают в специальных установках, основной частью которых является реактор (метантенк), т. е. бродильная камера, в которую загружают биомассу. Рис. 21.7. Принципиальная схема переработки ТБО методом анаэробного компостирования для получения биогаза: 1 приемный бункер; 2 мостовой грейферный кран; 3 дробилка; 4 магнитный сепаратор; 5 насос-смеситель; 6 метантенк; 7 шнековый пресс; 8 рыхлитель; 9 емкость для сбора отжима; 10 цилиндрический грохот; 11 упаковочная машина; 12 крупный отсев; 13 склад удобрений; 14 газголдер; 15 компрессор; 16 уравнительная касера; I направление движения отходов; II направление движения биогаза Материалом для переработки на биогазовых установках служат твердые бытовые отходы, навоз, отходы деревообработки (кора, опилки, стружки), осадки биологических очистных устройств и др. С экологической точки зрения укажем на некоторые отличительные особенности использования этого энергетического направления: 1) биотехнологическая трансформация биомассы в энергию считается абсолютно безвредной; 2) в отличие от традиционных источников энергии данный метод не загрязняет окружающую среду; 302 3) вырабатывается не только энергия, но и одновременно природная среда очищается (освобождается) от продуктов жизнедеятельности и других отходов. После очищения от углекислого газа и сероводорода биогаз сжигают и используют в стандартных водонагревателях, газовых плитах, горелках и других приборах. В строительной сфере биогаз, как показывает мировой опыт, широко используется как источник экологически чистой энергии при производстве многих строительных материалов: гипса, стекла, керамзита и др. Доказано также, что при сухом способе производства цемента экологически и экономически выгоднее во вращающихся обжиговых печах использовать не традиционные источники энергии, а биогаз. К нетрадиционным возобновляемым источникам энергии относят также энергию приливов, энергию ветровых волн, тепловые насосы, энергию температурных колебаний различных слоев морской воды и т. д. Перспективным методом использования нетрадиционных источников энергии считается объединение ряда зданий в единую энергосистему в виде гелио- и ветрогелиокомплексов, а также ветроэнергоактивных комплексов, дополненных тепловыми насосами для трех сред (Селиванов, 1993). Эксплуатация подобных жилищно-энергетических комплексов позволит не только экономить невозобновляемые источники энергии, но и исключить или свести к минимуму вредное воздействие энергетики на окружающую среду. 21.3. РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Использование техногенного сырья мощный экологический ресурс В условиях нарастающей экологической напряженности в мире проблема рационального использования и эффективного сбережения природных ресурсов становится важнейшей задачей жизнедеятельности любого государства. Исключительно важное значение имеет не только сбережение сырьевых ресурсов, но и их повторное использование. Значение вторичных сырьевых ресурсов для поддержания экологически безопасного уровня воздействия на окружающую среду весьма значительно, в частности, их использование является одним из необходимых условий внедрения малоотходных и безотходных технологий. Важную роль в утилизации (использовании) вторичных сырьевых ресурсов играет строительство и промышленность строительных материалов. Как известно, эти отрасли промышленности используют два вида сырья: природное и техногенное (вторичное). Природное сырье это строительные камни, песчано-гравийная смесь, гравий, песок, щебень и другие горные породы. Сюда же относят отвалы вскрышных пород, образующиеся при разработке карьеров и строительных котлованов. К сожалению, многие районы России не обеспечены природным сырьем в необходимом количестве, а в других их запасы значительно исчерпаны. Во многих случаях это приводит к значительным затратам на их транспортировку из других районов, что нецелесообразно ни с экономической, ни с экологической точки зрения, так как подобные перевозки сопровождаются неизбежными экологическими нарушениями. Поэтому с развитием техники и ухудшением в стране экологической ситуации все большее значение в строительной отрасли начинает приобретать техногенное сырье. К нему относят самые разнообразные промышленные отходы и побочные продукты: металлургические шлаки, бокситовые и другие шламы, отходы горно-обогатительных комбинатов (ГОК), золу и золошлаковые отходы ТЭС, отходы углеобогащения, вторичные полимеры, продукты переработки древесины и др. Техногенное сырье рассматривается многими специалистами как национальное достояние, как исключительно ценный продукт, аккумулирующий в себе ранее затраченные инвестиционные и энергетические ресурсы. Его использование в производстве строительных материалов во многих случаях оказалось значительно дешевле, чем разработка и освоение природных ресурсов. 303 Использование техногенного сырья для производства строительных материалов с экологической точки зрения весьма перспективно: 1) резко сокращаются объемы добычи дефицитных природных строительных материалов; 2) утилизируется и химически прочно связывается огромное количество загрязняющих окружающую среду промышленных отходов; 3) освобождаются ценные земельные участки, отчуждаемые под хвосто- и шламохранилища и др. Только под хранение золошлаковых отходов ТЭС отчуждаются огромные территории. В строительной индустрии находят широкое применение многие виды промышленных отходов и побочных продуктов. Приводим несколько примеров их использования. Зола и золошлаковые отходы (ЗШО). В настоящее время в России ежегодно образуются десятки миллионов тонн золошлаковых отходов. Каждые сутки работы на угле ТЭС накапливается до 1 тыс. т золы и шлака. Подавляющая их часть направляется в отвалы, а в строительной индустрии утилизируется лишь 35% ЗШО. Для сравнения: в США и Германии 4060%. В США из 20 млн т ежегодно образующихся зол уноса только для изготовления бетона утилизируется 7 млн т. Золошлаковые отходы незаменимый компонент формовочных смесей для получения высококачественных строительных материалов. Их используют для производства ячеистого бетона, силикатного кирпича, пенозолсиликата, аглопорита, асфальтового основания дорожных одежд и т. д. ЗШО считаются прекрасным цементосберегающим материалом. При производстве бетонов введение зол позволяет экономить до 100 кг/м3 цемента, а при использовании добавок-модификаторов до 200 кг/м3. Одновременно улучшается структура цементного теста и повышаются теплозащитные свойства конструкций. Прекрасно зарекомендовала себя разработанная ВНИИстроем, безотходная технология производства лицевого кирпича на основе зол ТЭС, позволяющая не только сэкономить средства на строительство и эксплуатацию золоотвалов, но и значительно уменьшить загрязнение среды. По данным Л. С. Бариновой и Ю. С. Волкова (2002), замена в бетоне или растворе 15%-ного цемента на золу уноса или металлургический шлак, что технологически допускается, в перерасчете на мировые объемы их применения, могло бы снизить количество выбросов в атмосферу диоксида углерода (СО2) на 300 млн т в год. Металлургические шлаки высококачественное сырье для производства шлакопортландцементов, шлаковаты, гипсошлаковых блоков, щебня и др. Годовой объем выхода шлаков металлургических заводов исчисляется многими десятками миллионов тонн. В нашей стране очень высок объем утилизации доменных шлаков, 80% выхода которых идет для изготовления шлакопортландцемента и пористых заполнителей. В последние годы все большее применение в качестве крупного и мелкого заполнителя в бетонах получают создаваемые по безотходной технологии шлаковая пемза (термозит) и шлакостеклогранулят, не уступающие природному щебню по большинству показателей. Например, прочность бетона на шлаковом цементе на 1520% выше, чем на гранитном. Широко известен ценнейший конструктивный материал шлакоситалл, обладающий высокими физико-механическими, химическими свойствами и экологической чистотой. Исключительно большое значение для производства портландцементного клинкера и шлакопортландцементов высокого качества имеет гранулированный доменный шлак, придающий цементу антикоррозийность, повышенную прочность, текучесть и быстроту твердения. В связи с тем, что в ближайшие годы в России ожидается реконструкция предприятий по переработке отработанного ядерного топлива (ОЯТ), резко усиливается спрос на особо тяжелые бетоны для радиационной защиты. Для этих целей учеными предлагается использовать бетон, в составе которого вместо дорогостоящего металла будут использованы отходы и шихта металлургического производства. Прекрасным примером блокирования фенолформальдегидных и других загрязнителей в структуре строительных материалов является использование отработанных формовочных смесей (ОФС), образующихся в ходе металлургического литейного передела. Формовочная глина, используемая как связующее, нетоксична и может широко применяться при производстве 304 строительных материалов. Продукты переработки древесины и других растительных отходов. В России на лесопромышленных комплексах и деревоперерабатывающих комбинатах ежегодно образуется свыше 200 млн м3 отходов древесины. Кроме того, сжигается и вывозится в отвалы в огромном количестве древесная тара, отходы переработки хлопчатника, лубяных культур и другого экологически ценного сырья, пригодного для производства строительных материалов. По мнению В. И. Сметанина (2000), важнейшим направлением рационального, экологически целесообразного использования древесины в строительной индустрии является производство различных древесных бетонов: арболита, фибролита, опилкобетона, королита и др. Наиболее известным из этих экологически чистых дешевых строительных материалов является арболит. Это легкий крупнопористый бетон, состоящий из древесной дробилки (в основном отходы от лиственных пород) и портландцемента марки 400. Широко применяется в качестве стеновых блоков при строительстве малоэтажных зданий. При устройстве ограждающих конструкций и перегородок используют королит теплоизоляционный материал, состоящий из коры, цемента (или строительного гипса) и добавок. В промышленности строительных материалов широкое применение находит ценнейшее экологически чистое сырье, вырабатываемое из отходов целлюлозно-бумажного производства лигносульфонаты, обладающие обеспыливающими, пластифицирующими, пенообразующими и другими ценными свойствами. Отходы химического комплекса. Несмотря на огромные объемы и разнообразие видов вторичного минерального сырья, эти отходы в строительной индустрии используются недостаточно. Находят некоторое применение электротермофосфорные шлаки (шлакопортландцемент, силикатный кирпич), отходы содового производства (автоклавное производство материалов, газогипс), кубовые остатки перегонных производств и битумы (ячеистые бетоны с добавками нефтебитума и др.). С точки зрения экологии следует более подробно остановиться на побочном продукте, получаемом при переработке апатитовых и фосфоритовых концентратов фосфогипсе. Применяется он при изготовлении цемента, строительных блоков, сухой штукатурки и др. Только в Японии в 70-х гг. строительная промышленность ежегодно расходовала около 3 млн т фосфогипса. Однако проведенные в 8090-е гг. исследования показали, что «фосфогипс обладает гораздо большей удельной радиоактивностью, чем природный гипс… и, по-видимому, люди, живущие в домах с его применением, получают облучение на 30% более интенсивное, чем жители других домов». (Доклад Комитета по атомной энергии, ООН, г. Нью-Йорк.) Л. Брунарски (1990) считает, что фосфогипс может быть применен в строительстве лишь после специальной проверки на радиоактивность. Выяснилось также, что фосфогипс, перерабатываемый по существующей технологии, помимо радионуклидов может содержать и такие вредные для здоровья человека вещества, как фтористые соединения (Долгорев, 1990). Помимо рассмотренных выше золошлаковых отходов, металлургических шлаков, продуктов переработки древесины и отходов химического производства при производстве строительных материалов находят применение и другие виды техногенного сырья. Важно подчеркнуть, что практически для любого вида выпускаемых в России строительных материалов вместо природного сырья возможно и экологически целесообразно использование различных видов техногенного сырья. Вторичные ресурсы (отходы производства) широко используются не только в промышленности строительных материалов, но и в дорожном строительстве (в качестве инертных наполнителей вместо песка, скальных пород, гравийных смесей и др.), в фундаментостроении, при устройстве гидротехнических плотин и др. Переработка строительных отходов во вторичное сырье рассмотрена нами в п. 2.6. Значительный интерес представляет использование отходов промышленности в такой материалоемкой отрасли строительства, как устройство оснований фундаментов зданий и сооружений. Исследования, проведенные НИИОСПом, показали, что для этих целей наиболее пригодны вскрышные и отвальные породы, у которых завершился процесс самораспада, а также доменные и сталеплавильные шлаки. При устройстве оснований из этих отходов их уплотняют, 305 трамбуют, используют глубинное уплотнение с помощью мелких взрывов и др. В последние годы в нашей стране использование промышленных отходов, как в строительстве, так и в промышленности строительных материалов, заметно сократилось, что связано как с общим падением уровня промышленного производства, так и с отсутствием должного стимулирования использования вторичных ресурсов в производстве. По мнению Г. А. Денисова (2002), низкий уровень использования техногенного сырья в России помимо указанных выше причин вызван принципиально различным подходом к этой проблеме в экономически развитых странах и в России. Там, например, золошлаки в этих странах являются продуктом (товаром), а не отходом, и использованием (реализацией) этого продукта занимаются его производители, т. е. ТЭС. Интересно отметить, что, как показывают расчеты, рентабельность производства товаров-продуктов из золошлаков (бетонные смеси, многоцелевые вяжущие, песок, щебень и др.) значительно выше рентабельности производства самой электроэнергии на ТЭС. В этом отношении пример показывают западные страны. Например, в Дании уровень утилизации рециклируемых материалов достиг 100%. В Нидерландах создана цельная, экологически выдержанная концепция развития строительной индустрии, которая основана на внедрении замкнутого безотходного производства с многократным использованием техногенного сырья. Экологическая безопасность техногенного сырья Одним из важнейших критериев пригодности техногенного сырья для производства строительных материалов и для других целей является токсичность и радиоактивность, т. е. степень его экологической чистоты. Использовать промышленные отходы в качестве вторичного сырья возможно лишь после разработки специальных нормативных документов на их применение. В случае соответствия отходов требованиям санитарных правил и норм радиационной безопасности они могут быть рекомендованы для практического применения. В 1987 г. разработаны «Временный классификатор токсичных промышленных отходов» (№ 428687) и «Методические рекомендации по определению класса токсичности промышленных отходов», которыми надлежит пользоваться при оценке экологической безопасности техногенного сырья. Для обеспечения экологической надежности вторичных сырьевых ресурсов выполняют необходимые лабораторные исследования, сравнивая состав исходного сырья с ПДК токсичных веществ. Шкала экологической безопасности и кондиционности техногенного сырья предусматривает полное отсутствие в нем органических канцерогенных веществ, не превышение ПДК таких элементов, как бериллий, таллий, селен, хром и ряда других экологически небезвредных, например, хлора, фтора, брома, серы и др. Особую опасность представляет наличие в техногенном сырье тяжелых металлов меди, титана, молибдена, ванадия и др. В. Мымриным (1996) разработана технология, позволяющая получать высокоэффективные нетоксичные дорожно-строительные материалы при смешивании 23 видов техногенного сырья, представленных золошлаками, различными видами шлаков черной металлургии, отходами химического производства и др. По утверждению автора предлагаемой технологии, все опасные элементы промышленных отходов в данном случае химически связываются в нерастворимые соединения, что было установлено при испытаниях в кислых, щелочных и нейтральных средах. Для обеспечения экологической безопасности применяемых в строительной индустрии вторичных сырьевых ресурсов в обязательном порядке предусматривается их радиоэкологическая оценка. В техногенном сырье, предназначенном для использования в качестве строительного материала, не должно быть каких-либо радиоактивных изотопов, например, радия, тория, стронция и цезия, или повышенного уровня излучений. Это тем более необходимо, что многие виды промышленных отходов имеют повышенную удельную эффективную активность радионуклидов Аэфф. Так, например, по данным Центра радиационной экологии Ростовского госуниверситета, 5% золоотвалов Новочеркасской ГРЭС имеют Аэфф. 370 Бк/кг, т. е. выше норм, установленных НРБ96. Согласно ГОСТ 3010894 золоотвалы с повышенной радиоактивностью могут использоваться в строительстве только после тщательных 306 радиологических анализов и выбраковке золошлаков с активностью, превышающей нормативы. Радиационно опасные промышленные отходы можно применять лишь в тех видах строительства, где контакт человека с ними опосредован и непродолжителен. Это означает, что высокоактивные отходы могут быть использованы например, в дорожном строительстве, но не могут без дополнительной обработки с целью удаления радиоактивных веществ быть использованы в жилищном строительстве. Контрольные вопросы 1. Почему энергоснабжение является мощным экологическим ресурсом и магистральным путем устойчивого развития? 2. Каковы основные направления экологического энергопотребления в жилищно-строительной сфере? 3. Что такое альтернативные экологически чистые источники энергии? Какое применение они находят в жилищно-строительной сфере? 4. Что такое энергосберегающий экодом? 5. Можно ли сберегать энергоресурсы с помощью строительства заглубленных зданий? 6. Какова роль техногенного сырья в ресурсосбережении природных строительных материалов? 7. Что понимается под экологической безопасностью техногенного сырья? 307 РАЗДЕЛ VI. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. ПРАВОВЫЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГЛАВА 22. АДМИНИСТРАТИВНО-ПРАВОВЫЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ВСТУПЛЕНИЕ Важным инструментом, используемым государством в интересах сохранения и рационального использования окружающей среды, является экологическое право, т. е. отрасль права, которая регулирует общественные отношения в сфере взаимодействия общества и природы. В связи с резким обострением экологических проблем на современном этапе роль экологического права и в целом административно-правового направления постоянно растет. 22.1. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Источниками экологического права являются следующие правовые документы: 1) Конституция; 2) Законы и кодексы в области охраны природы; 3) Указы и распоряжения Президента по вопросам экологии и природопользования; правительственные природоохранные акты; 4) нормативные акты министерств и ведомств; 5) нормативные решения органов местного самоуправления. 1. Конституционные основы охраны окружающей среды закреплены в Конституции Российской Федерации, принятой 12 декабря 1993 г. Конституция РФ провозглашает право граждан на землю и другие природные ресурсы, закрепляет право каждого человека на благоприятную окружающую среду (экологическую безопасность) и на возмещение ущерба, причиненного его здоровью. Конституция РФ определяет также организационные и контрольные функции высших и местных органов власти по рациональному использованию и охране природных ресурсов, устанавливает обязанности граждан по отношению к природе, охране ее богатств. 2. Законы и кодексы в области охраны окружающей среды составляют природно-ресурсную и природоохранную правовую основу. В их число входят Законы о земле, недрах, охране атмосферного воздуха, об охране и использовании животного мира и др. Систему экологического законодательства возглавляет Федеральный закон «Об охране окружающей среды» от 10 января 2002 г. № 7-ФЗ. В вопросах охраны окружающей среды нормы других законов не должны противоречить Конституции России и данному законодательному акту. В этом главном Федеральном законе отражены следующие вопросы в области охраны окружающей среды: общие положения (гл. I); основы управления в области охраны окружающей среды (гл. II); права и обязанности граждан, общественных и иных некоммерческих организаций (гл. III); экономическое регулирование (гл. IV); нормирование (гл. V); оценка воздействий на окружающую среду и экологическая экспертиза (гл. VI); требования в области охраны окружающей среды при осуществлении хозяйственной и иной деятельности (гл. VII); зоны экологического бедствия, зоны чрезвычайных ситуаций (гл. VIII); 308 природные объекты, находящиеся под особой охраной (гл. IX); государственный мониторинг окружающей среды (гл. X); контроль в области окружающей среды (экологический контроль) (гл. XI); научные исследования (гл. XII); основы формирования экологической культуры (гл. XIII); ответственность за нарушение законодательства (гл. XIV); международное сотрудничество (гл. XV); заключительные положения (гл. XVI). Действующий ныне Федеральный закон «Об охране окружающей среды» (2002 г.) формирует экологические требования не к природным ресурсным объектам (земля, недра, воды и т. д.), а непосредственно к предприятиям, организациям и гражданам, обязывая их принимать эффективные меры по охране природы, рациональному воспроизводству и использованию природных ресурсов, оздоровлению окружающей среды и обеспечению экологической безопасности человека. В отличие от ранее действующего природоохранного закона (1991 г.) данным законом значительно расширяются полномочия государственной власти субъектов Российской Федерации и органов местного самоуправления в сфере отношений, связанных с охраной окружающей среды. В частности, субъектам Федерации предоставлено право разрабатывать и издавать законы и иные нормативные акты в области охраны окружающей среды с учетом географических, природных, социально-экономических и иных особенностей. Земельный кодекс РФ (2001 г.) регламентирует охрану земель и защиту окружающей среды от возможного вредного воздействия при использовании земли. Основные правовые функции охраны земель: сохранение и повышение плодородия почв, сохранение фонда сельскохозяйственных земель. Экологическими нарушениями считаются порча, загрязнение, засорение и истощение земель. Кодекс регламентирует куплю-продажу земель и совершение других земельных сделок. Водный кодекс РФ (1995 г.) регулирует правовые отношения в области использования и охраны водных объектов, определяет порядок приобретения и прекращения прав пользователя водных объектов, устанавливает ответственность за нарушение водного законодательства. Правовые нормы направлены на рациональное использование вод, их охрану от загрязнения, засорения и истощения. Правовые основы охраны атмосферного воздуха отражены в Федеральном законе «Об охране окружающей среды» (2002 г.), а также в Законе «Об охране атмосферного воздуха» (1999 г.). Важнейшими общими мероприятиями охраны воздушного бассейна являются установление нормативов предельно допустимых вредных концентраций (ПДК) и платы за выбросы в атмосферу загрязняющих веществ. Федерального закона «О радиационной безопасности населения» (1995 г.) провозглашает принцип приоритета здоровья человека и сохранения природной среды при практическом использовании и эксплуатации объектов ионизирующих излучений. Правовая защита людей, вовлеченных в сферу использования ядерных и радиационных установок, радиоактивных веществ и др., гарантируется данным законом. В случае радиационной аварии закон гарантирует возмещение ущерба здоровью и имуществу граждан, законом устанавливается также компенсация за повышенный риск, связанный с проживанием вблизи ядерных и радиационных установок, в виде улучшения социально-бытовых условий населения и др. Закон РФ «О недрах» (1992 г.) устанавливает правовые отношения при изучении, использовании и охране недр. К числу эколого-правовых нарушений, затрагивающих недра как часть природной среды, закон, в первую очередь, относит их загрязнение. Основы лесного законодательства (1977 г.) закрепляют требования, предъявляемые к ведению лесного хозяйства. Основные правовые нормы направлены на использование леса как природного ресурса, воспроизводство лесов, охрану и защиту лесов и т. д. Закон РФ «О животном мире» (1995 г.). В нем содержатся эколого-правовые и административные нормы с учетом новых экономических отношений. Согласно закону к эколого309 правовым нарушениям отнесены: незаконный лов рыбы, уничтожение редких и исчезающих животных и др. Важнейшие экологические требования отражены также в Законе РФ «О санитарноэпидемиологическом благополучии населения» (1999 г.), «Основах законодательства Российской Федерации об охране здоровья» (1993 г.), «Об отходах производства и потребления» (1998 г.) и др. Задачей на перспективу является написание Экологического кодекса Российской Федерации, который будет представлять кодификацию всего законодательства в области охраны окружающей среды и природопользования и который смог бы регулировать не только природоохранные проблемы, но и скорректировал бы все законы, касающиеся природопользования (Грачев В. А., Кудрина И. В., 2003). 3. Указы и распоряжения Президента затрагивают широкий круг экологических вопросов. Примером может служить Указ от 16 декабря 1993 г. о федеральных природных ресурсах или Указ от 4 февраля 1994 г. о государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития. 4. Нормативные акты природоохранительных министерств и ведомств издаются по самым разнообразным вопросам рационального использования и охраны окружающей среды, в виде постановлений, инструкций, приказов и т. д. Они считаются обязательными для других министерств и ведомств, физических и юридических лиц. 5. Нормативные решения местных административных органов (мэрий, сельских и поселковых органов) дополняют и конкретизируют действующие нормативно-правовые акты в области охраны окружающей среды. 22.2. ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ОРГАНЫ УПРАВЛЕНИЯ В ОБЛАСТИ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Государственные органы управления, контроля и надзора в области охраны окружающей среды подразделяются на две категории: органы общей и специальной компетенции. К государственным органам общей компетенции относятся Президент, Федеральное Собрание, Государственная Дума, Правительство, представительные и исполнительные органы власти субъектов Федерации, муниципальные органы (рис. 22.1). Эти органы определяют основные направления природоохранной политики, утверждают экологические программы, обеспечивают экологическую безопасность, устанавливают правовые основы и нормы в пределах своей компетенции и т. д. Наряду с охраной окружающей среды Государственные органы этой категории ведают и другими экологическими вопросами, входящими в круг их полномочий. 310 Рис. 22.1. Структура государственных органов Российской Федерации в области управления охраной окружающей среды (2000 г.) Государственные органы категории специальной компетенции подразделяются на комплексные, отраслевые и функциональные. Комплексные органы выполняют все природоохранные задачи или какой-либо их блок. До 2000 г. функции управления природопользованием и охраны окружающей среды выполняли Государственный комитет РФ по охране окружающей среды (Госкомэкология России) и Министерство природных ресурсов РФ (МПР России) и другие ведомства. Указом Президента РФ от 17 мая 2000 г. Государственный комитет РФ по охране окружающей среды был упразднен и его функции переданы Министерству природных ресурсов РФ, в структуру которого вошли Государственная служба охраны окружающей среды и Государственная служба контроля в сфере природопользования и экологической безопасности. К комплексным органам управления относятся также: Департамент Госсанэпиднадзора Минздрава РФ (Санэпиднадзор РФ) координатор деятельности всех ведомств и организаций в области санитарной охраны через систему территориальных органов (санэпидстанций и инспекций); Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) осуществляет экологический контроль за состоянием окружающей среды, информирует население об изменениях в окружающей среде с помощью широкой сети наблюдательных пунктов и др.; Министерство РФ по делам гражданской обороны, чрезвычайных ситуаций и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС России) обеспечивает безопасность людей в условиях экстремальной ситуации, стихийных бедствий, производственных аварий и катастроф; отраслевые органы (Роскомзем, Рослесхоз, Госкомрыболовство, Минсельхоз России) выполняют функции управления и надзора по охране и использованию отдельных видов природных ресурсов и объектов. Функциональные органы выполняют одну или несколько родственных функций в отношении природных объектов: Минатом России (обеспечение ядерной и радиационной безопасности); Госгортехнадзор России (контроль за использованием недр); Минздрав России (санитарноэпидемиологический контроль); МВД России (охрана атмосферного воздуха от загрязнения транспортными средствами, санитарно-экологическая служба муниципальной милиции); 311 Государственный таможенный контроль России (борьба с незаконным вывозом животных) и др. 22.3. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ И ПАСПОРТИЗАЦИЯ Общие положения экологического законодательства России конкретизируются в государственных стандартах (ГОСТ), которые так же как постановления, инструкции и решения относятся к подзаконным правовым актам. Стандарт (от англ. standart норма) нормативно-технический документ, устанавливающий комплекс норм, правил, требований, обязательных для исполнения. Генеральным стандартом для природоохранной деятельности является ГОСТ 17.0.0.0176 «Система стандартов в области охраны природы и улучшения использования природных ресурсов», введенный в действие в 1977 г. Система стандартов в области охраны природы (ССОП) имеет следующие подсистемы (группы): 0 основные положения; 1 гидросфера; 2 атмосфера; 3 почвы; 4 земли; 5 флора; 6 фауна; 7 недра. По направлениям действия государственные стандарты системы охраны природы подразделяются на следующие виды: 1 термины, классификации, определения; 2 нормы и методы измерений загрязняющих выбросов и сбросов, интенсивность использования природных ресурсов; 3 правила охраны природы и рационального использования природных ресурсов; 4 методы определения параметров состояния природных объектов и интенсивности хозяйственного воздействия; 56 требования к средствам контроля и защиты окружающей среды; 7 прочие стандарты. В полное обозначение стандарта СООП входят индекс (ГОСТ), номер системы (17), номер стандарта и год издания. Так, например, если требуется выяснить, какие существуют нормы и методы измерения выбросов вредных веществ в отработавших газах тракторных и комбайновых двигателей, то следует обратиться к ГОСТ 17.2.2.0586. В данном примере 17 обозначает номер системы, 2 номер подсистемы (группы) атмосферу, 2 вид стандарта нормы и методы измерений, 05 номер стандарта и 86 год издания. Одной из наиболее значительных международных природоохранных инициатив в области экологической стандартизации считается появление в нашей стране серии международных стандартов ISO 14000. Основным предметом ISO 14000 является экологический менеджмент, т. е. система эффективного управления в организации (предприятии или компании). На основе принятых международных стандартов ISO серии 14000 Госстандарт издал стандарты ГОСТ Р ИСО 1400198 «Система управления окружающей средой. Требования и руководство по применению», ГОСТ Р ИСО 1404098 «Система управления окружающей средой. Общие руководящие указания» и др. Экологическая сертификация процедура подтверждения соответствия, посредством которой независимая от изготовителя и потребителя организация удостоверяет в письменной форме соответствие продукции (работ, услуг) экологическим требованиям и нормативно-правовым документам. 312 Правовые основы экологической сертификации закреплены Законом РФ « О сертификации продукции и услуг» (1993 г.), а также государственными и принятыми в качестве национальных международными стандартами. С помощью сертификации контролируют безопасность продукции (работ, услуг) для человека и окружающей среды, защищают потребителя от экологически «грязных» материалов, предотвращают ввоз в страну экологически опасной продукции, технологии и др. Документальным свидетельством подтверждения соответствия продукции установленным требованиям служит экологический сертификат соответствия. В области управления качеством окружающей среды на предприятиях современным инструментом сертификации служат стандарты ГОСТ Р ИСО 14000. Экологическая паспортизация. В соответствии с ГОСТ 17.0.0.0490 каждое предприятие в обязательном порядке разрабатывает экологический паспорт. Цель паспортизации прогноз экологической ситуации как на самом предприятии, так и вокруг него, а также контроль за выполнением природоохранных мероприятий. В экологический паспорт включаются фактические данные об использовании предприятиями природных ресурсов и о воздействии его производства на окружающую среду. Отдельно в виде справки с указанием времени, объемов и составов в экологическом паспорте должны быть приведены данные о залповых и аварийных выбросах (сливах) загрязняющих веществ. Все виды экологических паспортов разрабатываются предприятием и утверждаются его руководителем по согласованию с территориальным природоохранным органом, где он регистрируется. При отсутствии экологического паспорта предприятие лишается права на природопользование и хозяйственную деятельность, либо подвергается крупному штрафу. Современная экологическая ситуация в стране требует ужесточения действующих и разработки новых экологических норм и правил с закреплением их в государственных стандартах и экологических паспортах предприятий. Все более настоятельной является необходимость экологической паспортизации не только отдельных предприятий, но и всей территории города. Это позволит давать интегральную оценку экологического состояния всего города или любой территории, выявить экологически опасные участки, оценивать степень их влияния на жизнедеятельность населения. 22.4. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА И ОВОС Правовой механизм управления природопользованием и охраной окружающей среды включает в себя и такую важную форму предупредительного экологического контроля, как экспертизу. Различают государственную, общественную и иные виды экологических экспертиз. Под государственной экологической экспертизой понимают предварительную проверку представленных материалов специальной комиссией, назначаемой Минприроды России. Задача экспертной комиссии оценить соответствие намечаемой хозяйственной и иной деятельности требованиям экологической безопасности. Объектами государственной экологической экспертизы являются любые проектные и предпроектные документы, новая техника и технология, продукция, сырье и материалы, вещества, а также проекты стандартов и нормативов. Федеральным законом «Об экологической экспертизе» (1995 г.) установлены следующие принципы государственной экологической экспертизы: обязательность ее проведения, научная обоснованность выводов, независимость и вневедомственность, широкая гласность, привлечение общественности, а главное, презумпция потенциальной экологической опасности любой намечаемой хозяйственной и иной деятельности. Государственная экологическая экспертиза, как правило, предшествует принятию хозяйственного решения. Это позволяет еще на стадии планирования и проектирования выявить допущенные ошибки, оценить их последствия и дать рекомендации по их устранению. Финансирование работ по всем проектам и программам открывается только при наличии 313 положительного заключения государственной экологической экспертизы. Кроме государственной существуют и другие виды экспертиз общественная, научная и др., которые проводятся обычно на добровольной основе и носят рекомендательный или информационный характер. Правовой основой экологической экспертизы служит Федеральный закон «Об экологической экспертизе» (1995 г.), а также постановления, указы и другие природоохранные акты. Нормативной базой являются стандарты, нормы, правила и т. д., обобщенные в специальных справочниках для экспертов. Об эффективности государственной экологической экспертизы свидетельствует тот факт, что только в 1997 г. из 55 тыс. рассмотренных материалов отклонено и отправлено на доработку около 15 тыс. (Государственный доклад…,1997). Экологическая экспертиза становится одной из важных функций государственной экологической политики. Сейчас уже невозможно представить превентивное правовое регулирование хозяйственной деятельности без экологической экспертизы, нацеленной на снижение экологического риска при принятии решений. Еще более глубоким и объемным вариантом проведения экологической экспертизы в последние годы служит оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС). ОВОС проводится при разработке всех вариантов предпроектной, в том числе прединвестиционной и проектной, документации. Процедура ОВОС предшествует проведению государственной экологической экспертизы и выполняется для предварительной оценки прямого или косвенного воздействия, которое может оказать хозяйственная или иная деятельность на окружающую среду и в первую очередь на здоровье людей, экосистемы и отдельные виды растений и животных. Организует и обеспечивает ОВОС заказчик проекта, финансируя всю деятельность по оценке воздействия. Согласно Международной конвенции ОВОС в полном объеме проводится для таких объектов, как тепловые электростанции, АЭС мощностью больше 300 МВт, нефтеочистительные заводы, нефте- и газопроводы, метрополитены, крупные плотины и водохранилища и другие экологически опасные крупные объекты. Перед началом проектирования и проведения ОВОС заказчик готовит «Уведомление о намерениях». Итогом ОВОС служит официальное «Заявление о воздействиях на окружающую среду». После прохождения процедуры ОВОС, его материалы вместе с заявлением о воздействиях на окружающую среду направляются на государственную экологическую экспертизу. 22.5. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ РИСК И ЗОНЫ ПОВЫШЕННОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА Экологический риск это оценка на всех уровнях от точечного до глобального, вероятности появления негативных изменений в окружающей среде, вызванных антропогенной или иной деятельностью. Под экологическим риском понимают также вероятностную меру опасности причинения вреда окружающей среде в виде возможных потерь за определенное время. Вред окружающей среде при различных антропогенных и стихийных воздействиях очевидно неизбежен, однако он должен быть сведен до минимума и быть экономически оправданным. Любые хозяйственные или иные решения должны приниматься с таким расчетом, чтобы не превышать пределы вредного воздействия на природную среду. Установить эти пределы очень трудно, поскольку пороги воздействия многих антропогенных и природных факторов неизвестны. Поэтому расчеты экологического риска должны быть вероятностными и многовариантными, с выделением риска для здоровья человека и природной среды. Различают три главные составляющие экологического риска: оценку состояния здоровья и возможного числа жертв; оценку состояния биоты (в первую очередь фотосинтезирующих организмов) по биологическим интегральным показателям; 314 оценку воздействия загрязняющих веществ, техногенных аварий и стихийных бедствий на человека и природную среду. При оценке риска стихийных бедствий вначале собирают фактические данные о природных опасностях на изучаемой территории, далее определяют их самые опасные типы и частоту проявления, затем составляют карту (или серию карт), отражающих вероятность развития опасных процессов. Оценка риска стихийных бедствий должна включать, по В. И. Осипову (1995), расчеты возможного числа погибших и пострадавших людей, а также экономических потерь. На основе анализа природных опасностей и уязвимости среды, выполненного совместно с проектировщиками, экономистами и социологами, оценивают риск и составляют карты риска. Эти карты, где указаны территории различной степени риска, помогают эффективно решать вопросы управления риском и планирования социально-экономического развития региона (области, района, города). Учитывают следующие правила допустимого экологического риска при антропогенных воздействиях (Петров, 1995): 1) неизбежность потерь в природной среде; 2) минимальность потерь в природной среде; 3) реальная возможность восстановления потерь в природной среде; 4) отсутствие вреда здоровью человека и необратимых изменений в природной среде; 5) соразмерность экологического вреда и экономического эффекта. Любое превышение пределов допустимого экологического риска на отдельных производствах должно пресекаться по закону. С этой целью ограничивают или приостанавливают деятельность экологически опасных производств, а на стадиях принятия решений допустимый экологический риск оценивают с помощью государственной экологической экспертизы и, в случае его превышения, представленные для согласования материалы отклоняют. Фактор экологического риска существует на любых производствах, независимо от мест их расположения. Однако существуют регионы, где в сравнении с более экологически благополучными районами, во много раз превышены вероятность проявления негативных изменений в экосистемах, а также вероятность истощения природноресурсного потенциала и, как следствие, величины риска потери здоровья и жизни для человека. Эти регионы получили название зон повышенного экологического риска (Петров, 1995). В пределах регионов повышенного экологического риска выделяют зоны: 1) хронического загрязнения окружающей среды; 2) повышенной экологической опасности; 3) чрезвычайной экологической ситуации и 4) экологического бедствия. К первым двум зонам относят территории регионов, городов, районов с повышенным уровнем антропогенной нагрузки, снижением плодородия почв, дефицитом пресной воды и др. К зонам чрезвычайной экологической ситуации относят территории, на которых в результате воздействия негативных антропогенных факторов происходят устойчивые отрицательные изменения окружающей среды, угрожающие здоровью населения, состоянию естественных экосистем, генофондам растений и животных. В России к таким зонам относятся районы Северного Прикаспия, Байкала, Кольского полуострова, рекреационные зоны Черного и Азовского морей, промзона Урала, нефтепромысловые районы западной Сибири и др. Так, например, в районах Северного Прикаспия к старым проблемам: деградация пастбищ, низкое плодородие почв, дефицит пресной воды, интенсивная ветровая эрозия добавились новые проблемы. В первую очередь это подтопление, прогрессирующее засоление и заболачивание земель, вызванное нагонными явлениями на расширившейся акватории Каспийского моря. Затопление и подтопление земель уже вызвало потерю 320 тыс. га сельскохозяйственных угодий (Романенко, 1996). Зоной экологического бедствия указами Президента России или постановлениями Правительства РФ на основе государственной экологической экспертизы объявляется часть территории Российской Федерации, на которой произошли необратимые изменения окружающей среды, повлекшие за собой существенное ухудшение здоровья населения, разрушение естественных экосистем, деградацию флоры и фауны. 315 Прежде всего, это зона аварии Чернобыльской АЭС, а также Кузбасс, степные районы Калмыкии (табл. 22.1 по А. Грешневикову и В. Протасову, 2004). Таблица 22.1 Зоны чрезвычайной экологической ситуации и экологического бедствия в России 316 317 В ближнем зарубежье наиболее опасной экологической зоной являются Арал и Приаралье. Всего на территории Российской Федерации к началу 1997 г. зарегистрировано более 400 регионов общей площадью около 2 млн км2 (12% территории России) с признаками, характерными для зон чрезвычайной экологической ситуации и экологического бедствия. На их территории проживает около 5 млн человек. 22.6. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ Под мониторингом (от лат. «монитор» напоминающий, надзирающий) понимают систему наблюдений, оценки и прогноза состояния окружающей среды. Основной принцип мониторинга непрерывное слежение. Мониторинг является важнейшей частью экологического контроля, который осуществляет государство. Главная цель мониторинга наблюдение за состоянием окружающей среды и уровнем ее загрязнения. Не менее важно своевременно оценить и последствия антропогенного воздействия на биоту, экосистемы и здоровье человека, а также эффективность природоохранных мероприятий. Но мониторинг это не только слежение и оценка фактов, но и экспериментальное моделирование, прогноз и рекомендации по управлению состоянием окружающей среды. По территориальному охвату различают три ступени, или блока, современного мониторинга локальный (биоэкологический, санитарно-гигиенический), региональный (геосистемный, природнохозяйственный) и глобальный (биосферный, фоновый) (табл. 22.2). В программу биоэкологического (санитарно-гигиенического) мониторинга, проводимого на локальном уровне, входят наблюдения за изменением в различных сферах содержания загрязняющих веществ, обладающих канцерогенными, мутагенными и иными неблагоприятными свойствами. Постоянным наблюдениям подвергаются следующие загрязняющие вещества, наиболее опасные для природных экосистем и человека: в поверхностных водах радионуклиды, тяжелые металлы, пестициды, бенз(а)пирен, рН, минерализация, азот, нефтепродукты, фенолы, фосфор; в атмосферном воздухе оксиды углерода, азота, диоксид серы, озон, пыль, аэрозоли, тяжелые металлы, радионуклиды, пестициды, бенз(а)пирен, азот, фосфор, углеводороды; в биоте тяжелые металлы, радионуклиды, пестициды, бенз(а)пирен, азот, фосфор. Таблица 22.2 Система наземного мониторинга окружающей среды (по И. П. Герасимову) 318 Тщательно исследуются и такие вредные физические воздействия, как радиация, шум, вибрация, электромагнитные поля и др. Пункты экологических наблюдений располагаются в местах концентрации населения и районах интенсивной его деятельности с таким расчетом, чтобы они контролировали основные линии связи человека (трофические и др.) с естественными и искусственными компонентами окружающей среды. Это могут быть территории промышленно-энергетических центров, атомных электростанций, нефтепромыслов, агроэкосистем с интенсивным применением ядохимикатов и др. В составе биоэкологического (санитарно-гигиенического) мониторинга большое внимание уделяют наблюдениям за ростом врожденных дефектов в популяциях человека и динамикой генетических последствий загрязнения биосферы, в первую очередь мутагенами. Экологическую опасность их трудно переоценить, ибо, как подчеркивают Д. П. Никитин и Ю. В. Новиков, «мутагены поражают самое драгоценное, что создано эволюцией живой материи, генетическую программу человека, а также генофонды популяций всех видов животных, растений, бактерий и вирусов, населяющих биосферу». На региональном (геосистемном) уровне наблюдения ведут за состоянием экосистем крупных природно-территориальных комплексов (бассейнов рек, лесных экосистем, агроэкосистем и т. д.), где имеются отличия параметров от базового фона ввиду антропогенных воздействий. Изучают трофические связи (биологические круговороты) и их нарушения, оценивают возможность использования ресурсов природных экосистем в конкретных видах деятельности, анализируют характер и количественные показатели антропогенных воздействий на окружающую среду в этих регионах. Например, ведут контроль за популяционным состоянием исчезающих видов животных в 319 пределах какого-либо региона и т. д. Обеспечить наблюдение, контроль и прогноз возможных изменений в биосфере в целом задача глобального мониторинга. Его называют еще фоновым, или биосферным. Объектами глобального мониторинга являются атмосфера, гидросфера, растительный и животный мир и биосфера в целом как среда жизни всего человечества. Разработка и координация глобального мониторинга окружающей природной среды осуществляется в рамках ЮНЕП (орган ООН) и Всемирной метеорологической организации (ВМО). Основными целями этой программы являются: организация расширенной системы предупреждения об угрозе здоровью человека; оценка влияния глобального загрязнения атмосферы на климат; оценка количества и распределения загрязнений в биологических системах, особенно в пищевых цепочках; оценка критических проблем, возникающих в результате сельскохозяйственной деятельности и землепользования; оценка реакции наземных экосистем на воздействие окружающей среды; оценка загрязнения океана и влияния загрязнения на морские экосистемы; cоздание системы предупреждений о стихийных бедствиях в международном масштабе. При выполнении работ по программе глобального мониторинга особое внимание уделяют наблюдениям за состоянием природной среды из космоса. Космический мониторинг позволяет получить уникальную информацию о функционировании экосистем как на региональном, так и на глобальном уровне. В сравнении с другими видами мониторинга космический имеет ряд практически значимых преимуществ. По данным Г. И. Марчука (1990), он позволяет, в частности, оперативно получать информацию о природной среде больших территорий Земли, что особенно важно при возникновении ураганов, наводнений и других стихийных бедствий. Чрезвычайно важным является создание системы космического мониторинга лесных пожаров для малозаселенных пространств. В России функционирует разветвленная общегосударственная служба наблюдения на всех уровнях мониторинга локальном, региональном и глобальном. На многочисленных станциях, стационарных постах, в химических лабораториях, на самолетах, вертолетах и космических аппаратах наблюдают за загрязнением атмосферы, вод, почв, донных отложений, околоземного пространства, организуют «слежение» за состоянием земель, минерально-сырьевых ресурсов недр, сохранностью животного и растительного мира и т. д. Основной объем наблюдений выполняет Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет России). С 1995 г. в России с целью радикального повышения эффективности службы наблюдения введена Единая государственная система экологического мониторинга (ЕГСЭМ) (рис. 22.2, по В. В. Петрову, 1995). 320 Рис. 22.2 . Государственная система экологического мониторинга К основным задачам ЕГСЭМ, в частности, относятся: ведение специальных банков данных, характеризующих экологическую обстановку, и гармонизация их с международными эколого-информационными системами; оценка и прогноз состояния объектов и антропогенных воздействий на них, откликов экосистем и здоровья населения на изменение состояния окружающей среды. Задачи по программированию изменений в окружающей среде и принятию управляющих решений, т. е. решений, предотвращающих негативные изменения среды, в системе мониторинга решают с помощью математического моделирования на ЭВМ. Используется динамическая, постоянно действующая модель (ПДМ), входящая в автоматизированную информационную систему (АИС) мониторинга. Особенность ПДМ циклическое функционирование: по мере поступления новых данных в АИС они загружаются в ПДМ и на модели «проигрывается» вариант развития моделируемой системы, затем при новых исходных данных цикл повторяется уже с учетом предыдущего варианта развития и т. д. Отсюда следует очень важное свойство ПДМ: чем дольше функционирует система мониторинга, тем полнее информация и тем ближе модель к моделируемому объекту. 321 Наиболее эффективным инструментом изучения и оценки комплексного воздействия техногенных и природных факторов на окружающую среду являются геоинформационные системы (ГИС). Эти системы представляют собой совокупность технических, программных и организационных средств сбора, хранения и обработки многоплановой, преимущественно региональной экологической информации, составляют основу АИС и способны обеспечить эффективный контроль, прогнозирование и управление экологической ситуацией. 22.7. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ Экологический контроль (контроль в области охраны окружающей среды) это система мер, направленная на предотвращение, выявление и пресечение нарушения законодательства в области охраны окружающей среды. Общие задачи, которые решаются в процессе экологического контроля, сформулированы в ст. 64 Федерального закона «Об охране окружающей среды» (2002 г.). Основаны они на соблюдении требований, в том числе нормативов и нормативных документов в области охраны окружающей среды, а также обеспечения экологической безопасности. Различают следующие формы экологического контроля: информационный (сбор и обобщение экологической информации), предупредительный (предотвращение наступления вредных экологических последствий) и карательный (применение мер государственного принуждения к эконарушителям). Объектами экологического контроля являются: земля, недра, леса, животный мир, атмосферный воздух, природно-заповедный фонд, континентальный шельф, а также окружающая среда в целом. Экологический контроль имеет надведомственный характер. Это означает, что экологические требования в законодательстве относятся к любым формам хозяйственной и иной деятельности. В Российской Федерации осуществляется государственный, производственный, муниципальный и общественный экологический контроль. В систему экологического контроля входит также мониторинг, обеспечивающий службы контроля необходимой информацией о состоянии среды. Государственный экологический контроль осуществляется органами общего управления (администрация Президента РФ, Правительство РФ, другие исполнительные органы государственной власти, вплоть до муниципальных и специального управления Минприроды России, Госстрой России, Росгидромет и др.). Государственный экологический контроль осуществляют федеральные государственные инспектора и государственные инспектора субъектов Российской Федерации. Государственные инспектора в области охраны окружающей среды имеют широкие полномочия. В частности, согласно Федеральному закону «Об охране окружающей среды» (2002 г.), они имеют право: проверять соблюдение экологических требований, норм и правил при посещении любых объектов, независимо от форм собственности; проверять выполнение требований, указанных в заключении государственной экологической экспертизы, и вносить предложения о ее проведении; приостанавливать хозяйственную и иную деятельность юридических и физических лиц при нарушении ими законодательства в области охраны окружающей среды; привлекать к административной ответственности лиц, допустивших нарушение законодательства в области охраны окружающей среды. Государственные инспектора вправе осуществлять иные определенные законодательством полномочия. В 90-х гг. органами государственного экологического контроля было обследовано 146 606 предприятий и организаций и установлено, что 24 490 из них превышали нормы выбросов загрязняющих веществ. Было зарегистрировано также 1840 случаев залповых, аварийных сбросов вредных веществ, которые повлекли миллиардные ущербы и нанесли вред здоровью человека. 322 За нарушение экологического законодательства привлечено к ответственности 35 509 граждан и должностных лиц. Сумма взысканных штрафов составила 847,6 млн руб.; 21 должностное лицо привлечено к уголовной ответственности (Петров, 1995). Производственный экологический контроль осуществляется в целях обеспечения выполнения в процессе хозяйственной деятельности природоохранных мероприятий. Проводится он непосредственно на предприятии соответствующими службами самого предприятия. Соблюдение норм экологического законодательства позволяет предприятию избежать санкций государственного экологического контроля. Специфической формой производственного контроля в последнее время становится экологическое аудирование деятельности предприятия. Экологический аудит это независимая, комплексная проверка (ревизия) соответствия деятельности объекта (предприятия) природоохранным нормам и правилам с целью выработки рекомендаций по снижению негативного воздействия на окружающую среду и здоровье населения. Экологический аудит проводится как по инициативе самих предприятий (и тогда он фактически является одной из форм производственного экологического контроля), так и в обязательном порядке. В состав экоаудита входят анализ бухучета предприятия по экологическим показателям, прогноз экологических рисков и ущербов, измерения различных экологических параметров аудируемого объекта и окружающей среды и на этой основе разработка рекомендаций по обеспечению экологически безопасной деятельности. Муниципальный экологический контроль осуществляется органами местного самоуправления на территории муниципального образования, а общественный общественными и иными некоммерческими объединениями, а также гражданами. Результаты общественного экологического контроля подлежат обязательному рассмотрению в органах государственной власти. Контрольные вопросы 1. Что такое экологическое право? Перечислите его основные источники в нашей стране. 2. Каково основное содержание Закона Российской Федерации «Об охране окружающей среды» (2002)? 3. Какова структура государственных органов в области охраны окружающей среды в России? 4. Что такое экологический паспорт предприятия? 5. Какова эффективность государственной экологической экспертизы? 6. Что такое экологический риск? Какие регионы относятся к зонам повышенного экологического риска? 7. Что такое мониторинг окружающей среды, каковы его основные ступени и блоки? 8. Что понимается под государственным экологическим контролем? Какие виды экологического контроля действуют в нашей стране? 323 ГЛАВА 23. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРАВА И ОБЯЗАННОСТИ ГРАЖДАН 23.1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРАВА ГРАЖДАН. ОБЩЕСТВЕННЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ДВИЖЕНИЯ Под экологическими правами понимают закрепленные в законодательстве права гражданина, которые обеспечивают удовлетворение его разнообразных потребностей при взаимодействии с природой. Согласно Конституции Российской Федерации каждый гражданин имеет право на: благоприятную окружающую среду; достоверную информацию о состоянии окружающей среды; возмещение ущерба, причиненного здоровью или имуществу экологическим правонарушением. Под благоприятной окружающей средой понимают такое ее состояние, которое соответствует критериям, нормативам и стандартам, установленным в экологическом законодательстве по показателям чистоты, ресурсоемкости, экологической безопасности, видовому разнообразию и др. Другими словами, гражданин Российской Федерации имеет право на среду обитания, факторы которой не оказывают на него негативного влияния. Право на благоприятную окружающую среду это одно из фундаментальных прав человека, возникающих с рождением и прекращающихся со смертью индивида, наряду с такими основополагающими правами, как право на жизнь, свободу слова, равенство и др. (Социал.-эколог. проблемы…, 2001). Важнейшим способом реализации конституционного права граждан на благоприятную окружающую среду является не только соблюдение всеми лицами экологических норм, правил и нормативов, но и получение достоверной информации о состоянии окружающей среды. Согласно действующим законодательным актам граждане имеют право требовать от соответствующих органов государственной власти, органов местного самоуправления, должностных лиц предоставления объективной информации о состоянии окружающей среды. Эта информация должна быть достоверной, т. е. заведомо не искаженной, своевременной и полной. Например, граждане и общественные объединения имеют право на получение объективной информации от организации, осуществляющей деятельность с использованием источников ионизирующего излучения, за исключением той ее части, которая отнесена законодательством РФ к категории информации ограниченного доступа. Следует знать, что закон запрещает относить к подобного рода к информации документы, содержащие данные о чрезвычайных ситуациях, экологическую, метеорологическую, санитарноэпидемиологическую, демографическую и другую информацию, необходимую для обеспечения безопасности граждан и населения в целом (Красов, 2001). Одним из наиболее важных способов защиты права на благоприятную окружающую среду считается право на возмещение ущерба, понесенного гражданами в результате экологического правонарушения. Помимо экологических прав, закрепленных в Конституции, существуют и иные экологические права, содержащиеся в других законах и кодексах. Так, каждый гражданин имеет право на общее природопользование. Это право регулируется Земельным, Водным, Лесным кодексами, законами «О недрах», «О животном мире», «Положением о лицензировании деятельности по организации любительского лова» и т. д. Например, граждане имеют право свободно (бесплатно) находиться на территории лесного фонда и в лесах, собирать для собственных нужд дикорастущие плоды, ягоды, орехи, грибы, лекарственные растения и техническое сырье, если иное не предусматривается законодательством РФ. Согласно ст. 11 Федерального закона «Об охране окружающей среды» (2002 г.) граждане имеют также право: создавать общественные объединения, фонды и иные общественные формирования по охране 324 окружающей среды; принимать участие в собраниях, митингах, пикетах, шествиях, референдумах по вопросам охраны окружающей среды; выдвигать предложения о проведении общественной экологической экспертизы и участвовать в ее проведении; предъявлять в суд иски о возмещении вреда окружающей среде. В середине 80-х гг., в связи с возросшей социально-политической активностью населения, во многих регионах страны начали формироваться массовые общественные экологические организации (союзы, объединения, ассоциации, фонды и т. д.). Среди них Социально-экологический союз, ассоциация «Экология и мир», Экологический фонд, Общественный комитет спасения Волги, Фонд защиты Байкала и др. Еще ранее в Западной Европе (ФРГ, Дании и др.) возникло движение «зеленых». Оно выступает за сохранение среды жизни, против ядерной угрозы, за чистоту атмосферы, вод и т. д. К целям и задачам движения «зеленых» наиболее близки Российское экологическое движение и Экологический фонд России. Высоко оценивая общественные экологические движения в защиту природы в нашей стране, нельзя не отметить и некоторых преувеличений со стороны «зеленых», посягательства в отдельных случаях на сами системы жизнеобеспечения населения. Оптимальный вывод просматривается в соблюдении принципа экологической безопасности населения с подключением беспристрастной научной экспертизы, если потребуется, также и международной. 23.2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЯЗАННОСТИ ГРАЖДАН Пользуясь экологическими правами, каждый гражданин должен выполнять и определенные ответные обязанности в сфере экологических интересов общества и государства. Он должен быть готовым к активному личному участию в осуществляемых природоохранных мероприятиях, выполнять обязанности не только по охране и рациональному использованию природных ресурсов, но и по предупреждению экологических правонарушений, а также выполнять иные обязанности, предусмотренные экологическим законодательством. «Каждый гражданин обязан сохранять природу и окружающую среду, бережно относиться к природным богатствам» (Конституция РФ, ст. 58). В соответствии с Конституцией, а также законами «Об охране окружающей среды», «О санитарно-эпидемиологическом благополучии» и рядом других законодательных актов, граждане, в частности, обязаны: личным трудом оберегать и приумножать природные богатства; соблюдать установленные нормативы качества окружающей среды; сохранять природный ландшафт; не допускать уничтожения или порчи деревьев и кустарников, засорения лесов, уничтожения или разорения мест обитания животных, птиц, рыб, насекомых и иных живых организмов; соблюдать стандарты, регламентирующие условия охраны атмосферного воздуха, земель, поверхностных и подземных вод, лесов, недр; соблюдать правила пожарной безопасности в лесах; выполнять соответствующие экологические предписания и постановления государственных природоохранных органов и их должностных лиц; платить установленные налоги и сборы, предусмотренные для финансирования природоохранных и природовосстановительных мероприятий; иметь необходимую экологическую подготовку (для должностных лиц, связанных с деятельностью, оказывающей влияние на окружающую среду и здоровье человека); содействовать экологическому воспитанию подрастающего поколения и повышению экологической культуры населения. 325 23.3. ЮРИДИЧЕСКАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ЗА ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРАВОНАРУШЕНИЯ Юридическая ответственность за экологические правонарушения является одной из форм государственного принуждения; ее задача обеспечить реализацию экологических интересов в принудительном порядке. Экологические правонарушения различны по своему составу, но всегда складываются в сфере природы: будь то загрязнение природной среды, незаконная порубка леса или нарушение законодательства о континентальном шельфе. Наибольшее число экологических правонарушений связано с охраной и использованием животного мира (охота и рыболовство) и с охраной атмосферного воздуха. Общий критерий всех экологических нарушений причинение вреда окружающей природной среде. В тех случаях, когда вред наносят не природной среде, а среде обитания человека, например, сверх нормативов загрязняют воздух в производственных помещениях, говорят о санитарных правонарушениях. Экологические правонарушения, не относящиеся к категории общественно опасных, именуют экологическими проступками. Если же они представляют общественную опасность, посягают на экологическую безопасность общества, причиняют ощутимый вред окружающей среде и здоровью человека, их относят к категории экологических преступлений. Согласно Закону РФ «Об охране окружающей среды» (2002 г.) различают следующие виды ответственности за экологические правонарушения: дисциплинарную, административную, уголовную и имущественную. Дисциплинарные наказания (предупреждение, выговор, строгий выговор, понижение в должности и в окладе, увольнение с работы) налагаются на должностные лица, рабочих и служащих руководителем предприятия, организации, учреждения за невыполнение ими своих производственных обязанностей, связанных с правовой охраной окружающей среды. При этом следует учитывать два важных момента: 1) дисциплинарная ответственность может наступить лишь за нарушение экологических правил, исполнение которых входило в круг должностных обязанностей нарушителя. Так, по Б. В. Ерофееву (1992), нельзя привлекать к ответственности водителя за выпуск в эксплуатацию автомобиля, у которого содержание загрязняющих веществ превышало установленные нормы, поскольку исполнительный контроль за этот выпуск не входит в число водительских обязанностей; 2) недопустимо наказывать в дисциплинарном порядке лиц, которые нарушают экологические правила во внерабочее время. К административной ответственности могут быть привлечены организации, предприятия, должностные лица, отдельные граждане. Административная ответственность устанавливается за противоправное действие или бездействие, нарушающее законодательство об охране окружающей среды. К их числу относятся порча, повреждение, уничтожение природных объектов, несоблюдение экологических требований при захоронении вредных веществ и т. д. Наиболее распространенная мера административного взыскания денежный штраф, кроме того, применяются предупреждения, общественное порицание, изъятие орудий и средств совершения правонарушения, конфискация незаконно добытой продукции и т. д. Мера административной ответственности определяется специально уполномоченными на то органами Минприроды России и др. За экологические правонарушения, которые отличаются наивысшей степенью общественной опасности и тяжелыми последствиями, предусмотрена уголовная ответственность (лишение свободы, конфискация имущества, крупный штраф и т. п.). Применение мер этого вида ответственности за экологические преступления определяется Уголовным кодексом, вступившим в действие с 1 января 1997 г. Единственным основанием назначения уголовного наказания является приговор суда. К тяжелым экологическим преступлениям относится, например, умышленное уничтожение или 326 повреждение лесных массивов путем поджога. Менее тяжкими преступлениями считаются загрязнение водоемов и атмосферного воздуха, незаконная порубка леса, незаконная охота и некоторые другие. Все предприятия и граждане, причинившие вред окружающей среде, здоровью и имуществу других граждан, обязаны возместить его в полном объеме. Должностные лица, по вине которых предприятие понесло расходы по возмещению вреда, несут материальную ответственность. Контрольные вопросы 1. Назовите основные экологические права и обязанности граждан России. 2. Каковы роль и значение общественного экологического движения? 3. Какие существуют виды ответственности за экологические правонарушения? 4. В каком объеме возмещается вред, причиненный окружающей среде? 327 ГЛАВА 24. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 24.1. МЕТОДЫ ЭКОНОМИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ Одним из направлений, по которому Россия должна выходить из экологического кризиса, является развитие и совершенствование экономического природоохранного механизма. До недавнего времени в нашей стране отсутствовали эффективные экономические рычаги, способствующие сохранению и рациональному использованию окружающей среды. Ныне в России создан и функционирует экономический механизм охраны окружающей среды, ориентированный на рыночную экономику, а точнее соответствующий критериям переходного периода к ней. Его главная особенность ориентация не на плановое централизованное финансирование из государственного бюджета, а в основном на экономические методы регулирования. Делать выводы о высокой эффективности нового экономического механизма охраны окружающей среды и природопользования преждевременно, он требует дальнейшего развития и совершенствования. Новая структура экономического механизма сочетает как ранее действующие нормы (природоресурсовые кадастры, материально-техническое обеспечение и др.), так и новые экономические стимулы (плата за негативное воздействие на окружающую среду, экологическое страхование и др.). В качестве обязательных элементов предусматривается включение экологических требований в процедуру оценки принимаемых хозяйственных решений. Согласно Федеральному природоохранному закону (2002 г.) к основным методам экономического регулирования государственных и рыночных отношений в области охраны окружающей среды, в частности, относятся: установление платы за негативное воздействие на окружающую среду; установление лимитов на выбросы и сбросы загрязняющих веществ и микроорганизмов, а также лимитов на размещение отходов и на другие виды негативного воздействия на окружающую среду; проведение экономической оценки воздействий хозяйственной и иной деятельности на окружающую среду; предоставление налоговых, кредитных и иных льгот при внедрении малоотходных и ресурсосберегающих технологий и нетрадиционных видов энергии, осуществлении других эффективных мер по охране окружающей среды; возмещение вреда, причиненного окружающей среде и здоровью человека. По мнению ученых, главная специфическая особенность нового экономического механизма сделать охрану окружающей среды составной частью производственно-коммерческой деятельности, чтобы хозяйственник, предприниматель был заинтересован в охране окружающей среды не меньше, чем он заинтересован в выпуске конкурентоспособной продукции. 24.2. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УЧЕТ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ Экономические, экологические и некоторые другие показатели природных ресурсов обычно обобщают в виде кадастров. Кадастр (франц. cadastre) систематизированный свод сведений, количественно и качественно характеризующих определенный вид природных ресурсов или явлений, в ряде случаев с их социально-экономической оценкой. Кадастры составляют специально уполномоченные органы Госкомэкологии России для комплексного учета природных ресурсов на территориях республик, краев и областей, рационального их использования, для дифференциации платы за ресурсы и т. д. Различают земельный, водный, лесной кадастр, недр, животного мира, медико-биологический, промысловый и другие виды кадастров. 328 Земельный кадастр включает данные регистрации землепользователей (собственники, пользователи, арендаторы), учета количества и качества земель, бонтировки (качественной оценки земель). Водный кадастр это свод систематизированных данных о водных объектах, водных ресурсах, режиме, качестве и использовании вод, а также о водопользователях. Он включает три раздела: 1) поверхностные воды; 2) подземные воды; 3) использование вод. Источником сведений для составления и пополнения водного кадастра служит сеть наблюдательных гидрологических постов и режимных станций. Полученные данные обрабатывают с помощью специальной автоматизированной информационной системы и доводят до потребителя. Лесной кадастр свод данных о лесах, степени их вовлечения в эксплуатацию, качественном составе, запасах древесины, ежегодного ее прироста и т. д. С помощью кадастра оценивают экологоэкономическое значение лесов, решают вопросы охраны лесных ресурсов, другие практические вопросы (выбор лесосырьевых баз и др.). Аналогичные или близкие к ним функции выполняют кадастры и других природных ресурсов. К числу кадастров природных ресурсов с некоторой долей условности относят и Красную книгу редких исчезающих животных и растений. В последнее время в связи с обострением экологической ситуации возникла необходимость учета размещения отходов по составу и степени токсичности, а также регистрации загрязнителей окружающей среды. Объектом регистрации служат все опасные и потенциально опасные вещества, независимо от их происхождения, производимые как на территории России, так и ввозимые из-за рубежа. 24.3. ЛИЦЕНЗИИ, ДОГОВОРА И ЛИМИТЫ НА ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ Порядок пользования природной средой и природными ресурсами основывается на принципах охраны природной среды и неистощимости использования природных ресурсов, создания нормальных экологических и экономических условий для ныне живущих и будущих поколений, обеспечения приоритетных направлений природопользования, учета и контроля за окружающей средой (Постатейный комментарий к Закону России, 1993). Эффективными средствами охраны окружающей среды и рационального природопользования служат такие экономические рычаги, как лицензии, договора и лимиты. Лицензия (разрешение) на комплексное природопользование документ, удостоверяющий право его владельца на использование в фиксированный период времени природного ресурса (земель, вод, недр и др.), а также на размещение отходов, выбросы и сбросы. В лицензию на комплексное природопользование включают: перечень используемых природных ресурсов, лимиты и нормативы их расхода и изъятия; нормативные платы на охрану и воспроизводство природных ресурсов; перечень, нормативы и лимиты выбросов (сбросов) загрязняющих веществ и размещение отходов; нормативы платы за выбросы (сбросы) загрязняющих веществ и размещение отходов; экологические требования и ограничения, при которых допускается хозяйственная или иная деятельность. Лицензия на комплексное природопользование выдается органами Минприроды России сроком на один год, но в ряде случаев право пользования ею может быть досрочно прекращено, если возникает угроза экологической безопасности населения. Лицензия имеет существенное значение не только как средство защиты окружающей среды, но и как один из способов регулирования природопользования. Принципы неистощимости природных ресурсов и охраны природной среды могут быть соблюдены лишь при комплексном природоиспользовании, т. е. в тех случаях, когда использование одного ресурса не оказывает вредного воздействия на другие ресурсы. Поэтому, получив лицензию и 329 пройдя соответствующую экспертизу на предполагаемую деятельность, природопользователь должен заключить договор о комплексном природопользовании. Согласно Федеральному закону «Об охране окружающей среды» договор о комплексном природопользовании предусматривает условия и порядок использования природных ресурсов, права и обязанности природопользователя, размеры платежей за пользование природными ресурсами, ответственность сторон и возмещение вреда. Составной частью экономического механизма охраны окружающей среды является также лимитирование природопользования. Лимиты на природопользование предельные объемы природных ресурсов, выбросов (сбросов) загрязняющих веществ, размещения отходов производства, которые устанавливаются для предприятий-природопользователей на определенный срок. Так, например, устанавливают лимиты потребления вод промышленного использования, нормы отвода земель для автомобильных дорог, лимиты по отлову животных, расчетную лесосеку и т. д. За сверхнормативное потребление природных ресурсов предусматривается дополнительная плата. Таким образом, лимиты как система экологических ограничений экономическим путем побуждают природопользователя к бережному отношению к природной среде, сокращению отходов, уменьшению выбросов (сбросов) загрязняющих веществ, переходу к малоотходным и ресурсосберегающим технологиям. Поэтому понятно, что лимиты, а также лицензии и договора на комплексное природопользование выполняют не только экономические, но и природоохранные функции. 24.4. НОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ ФИНАНСИРОВАНИЯ ПРИРОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ Финансирование затрат на восстановление и охрану окружающей среды осуществляется за счет бюджетных и внебюджетных средств. Государственное (бюджетное) финансирование направлено главным образом на выполнение целевых программ, ликвидацию последствий техногенных катастроф и стихийных бедствий, строительство крупных природоохранных сооружений. Доходная часть госбюджета (регионального и местного уровней) пополняется за счет платежей и отчислений за пользование природными ресурсами и загрязнение окружающей среды. Внебюджетное финансирование, т. е. финансирование за счет средств из внебюджетных источников собственных средств природопользователей, различных фондов экологического страхования и др. в условиях рыночной экономики выходит на первое место. Финансирование за счет собственных средств природопользователей, исходя из принципа «загрязнитель платит», является основным. Согласно Федеральному закону «Об охране окружающей среды» (2002 г.) природопользователь обязан принимать не только все меры по предотвращению вредного воздействия на окружающую среду и здоровье человека, но и за собственный счет компенсировать причиненный экологический ущерб в полном объеме. Платность природных ресурсов важнейший элемент нового механизма финансирования, ориентированного на рыночные реформы. К числу других существенных экономических стимулов следует отнести экологические фонды и экологическое страхование. Плата за использование природных ресурсов. Прежним законом РСФСР «Об охране окружающей природной среды» (1991 г.) предусматривалась плата не только за загрязнение окружающей природной среды, но и за использование природных ресурсов. Согласно ст. 20 этого Закона плата за природные ресурсы (земля, вода, леса и др.) взималась: а) в пределах установленных лимитов; б) за сверхлимитное и нерациональное использование природных ресурсов; в) на их воспроизводство и охрану. Сейчас эти положения пересматриваются, однако принцип платности за использование природных ресурсов, безусловно, сохраняется. Формы платежей за природные ресурсы в зависимости от их вида и назначения могут быть различными. Например, за пользование лесными ресурсами плату взимают в виде лесных податей 330 (налога) и арендной платы, за пользование водными объектами в виде регулярных платежей в течение срока водопользования, за пользование землей в виде земельного налога, арендной платы. Поступающие платежи перечисляют в местный бюджет (города или района), в фонды воспроизводства и охраны природных ресурсов. Платность природных ресурсов, несомненно, повышает материальную заинтересованность природопользователя в сохранении ресурсов и их рациональном использовании. Негативное воздействие на окружающую среду является платным. Плата за негативное воздействие на окружающую среду. К видам негативного воздействия на окружающую среду относятся: выбросы в атмосферный воздух загрязняющих и иных веществ; сбросы загрязняющих веществ, иных веществ и микроорганизмов в поверхностные водные объекты, подземные водные объекты и на водосборные площади; загрязнение недр, почв; размещение отходов производства и потребления; загрязнение шумом, теплом, электромагнитными, ионизирующими и другими видами физических воздействий; иные виды негативного воздействия на окружающую среду (ст. 16 Федерального закона «Об охране окружающей среды» (2002 г.). Законом предусмотрена плата за выбросы (сбросы) загрязняющих веществ и микроорганизмов, размещение отходов и т. д. как в пределах, так и сверх установленных лимитов. В первом случае платежи производятся за счет себестоимости продукции предприятия, во втором за счет прибыли, которая получена предприятием-загрязнителем. В случае убыточности предприятия-загрязнителя платежи производятся за счет всех имеющихся у него средств, на которые может быть обращено взыскание. Территориальные органы Минприроды России и органы Санэпиднадзора вправе приостановить (или прекратить) деятельность таких предприятий, для которых размер платежей превышает прибыль, оставляемую в их распоряжении. Поскольку платежи взимаются за счет себестоимости продукции или прибыли, они должны стимулировать предприятие-загрязнитель к сокращению выбросов (сбросов) загрязняющих веществ и отходов. Именно в этом многие ученые видят главный ключ экологизации хозяйственной деятельности, пользуясь которым, можно сделать охрану окружающей среды экономически выгодным делом. Вместе с тем, по мнению Г. С. Голицына, А. Ю. Ретеюма и др. (1995), трехлетний опыт применения системы платежей за загрязнение в России показал, что плата, реализующая налоговый принцип не выполняет автоматически стимулирующих функций. Ученые предлагают параллельно с ее внедрением создавать институциональную среду, где плата выступит важным эффективным элементом процесса принятия решения. Только тогда, как считают Г. С. Голицын, А. Ю. Ретеюм и др., реализация принципа «загрязнитель платит» послужит основой для внедрения другого классического принципа рыночного хозяйства «желания платить». Экологические фонды. Для реализации различных природоохранных задач: восстановления потерь в природной среде, компенсации вреда здоровью граждан, строительства очистных сооружений, материального обеспечения эколого-просветительного направления и т. д. была создана единая система внебюджетных государственных экологических фондов. Фонды функционировали за счет отчислений с предприятий в виде платы за выбросы (сбросы) загрязняющих веществ, реализации конфискованных орудий охоты и рыболовства и других источников. Большая часть средств экологических фондов направлялась на реализацию природоохранных мероприятий. Экологические фонды способствовали также развитию таких прогрессивных механизмов финансирования природоохранной деятельности, как: вложение средств в формирование начального капитала предприятий, создаваемых для производства продукции природоохранного назначения; выдачу гарантий коммерческим банкам по ссудам и кредитам предприятиям на реализацию 331 природоохранных проектов. Таким образом, в современных условиях экологические фонды являлись важным элементом поддержки инвестиций в охрану окружающей среды. Тем не менее в бюджете 2001 г. Федеральный экологический фонд Российской Федерации был упразднен. Возникла необходимость создания новой структуры, способной координировать инвестиционную деятельность в области охраны окружающей среды. Экологическое страхование. Федеральным законом «Об охране окружающей среды» (2002 г.) предусмотрен ввод добровольного и обязательного государственного страхования предприятий, организаций, а также граждан, объектов и собственности, и доходов на случай экологического бедствия, аварий и катастроф. Важно отметить, что страхование рисков в сфере охраны окружающей среды необходимо не только как предупредительная мера в сфере обеспечения экологической безопасности, но и как система привлечения негосударственных инвестиций в охрану окружающей среды. Обязательное экологическое страхование предусмотрено для особо опасных видов производственной деятельности, например, для атомной энергетики, деятельности, связанной с использованием горючих, взрывчатых, токсичных материалов, с производством работ в подземных условиях и др. Лицензия на осуществление такой деятельности выдается только после заключения договора страхования экологических рисков. Стороны (страхователь и страховщик) определяют свои права и обязанности, порядок выплаты страховых взносов и страхового возмещения. В последнее время при заключении договоров со страховыми компаниями обязательным условием становится экологическое аудирование объекта. Страхователь (например, предприятие атомной индустрии или строительная организация) обязан в кратчайшие сроки сообщить страховщику (страховой компании) о наступлении страхового события, т. е. внезапного непредвиденного нанесения ущерба в результате стихийного бедствия, техногенной аварии и проявления иных экологических рисков. Именно внезапность страхового события и непреднамеренность умысла со стороны предприятия-загрязнителя дает основание для выдачи страхового вознаграждения страхователю. Добровольное экологическое страхование может заключаться любыми юридическими и физическими лицами, чья деятельность связана с опасностью причинения вреда окружающей среде. При его подписании руководствуются «Типовыми положениями о порядке добровольного экологического страхования» (1992). Характерной чертой договора о добровольном экологическом страховании является взаимная заинтересованность страховщика и страхователя в снижении риска причинения вреда. 24.5. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СТИМУЛИРОВАНИЕ В ОБЛАСТИ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Одним из эффективных способов решения проблем охраны окружающей среды является экономическое стимулирование природоохранной деятельности. Государство оказывает поддержку любой предпринимательской деятельности, которая осуществляется в целях охраны окружающей среды или приводит к выпуску экологически чистой продукции. Одной из мер экономического стимулирования является установление налоговых и иных льгот предприятиям и организациям, обеспечивающим в своей работе природоохранный эффект. С другой стороны, экономическое стимулирование предполагает установление специального налога на экологически вредную продукцию, выпускаемую предприятием или организацией. Меры экономического стимулирования охраны окружающей среды предусматривают в частности: установление налоговых и иных льгот при внедрении малоотходных и безотходных технологий, использовании вторичных ресурсов, строительстве очистных сооружений и др.; применение поощрительных цен и надбавок на экологически чистую продукцию; 332 введение специального налогообложения экологически вредной продукции и технологий; применение льготного кредитования предприятий и организаций, эффективно осуществляющих природоохранные мероприятия. Территориальные органы Минприроды России могут корректировать размеры платежей конкретных природопользователей с учетом освоения ими средств на выполнение тех или иных природоохранных мероприятий. Согласно п. 4 ст. 6 Закона «О налоге на прибыль предприятий и организаций» в первые два года работы не уплачивают налог на прибыль малые предприятия, осуществляющие строительство объектов природоохранного назначения. Не подлежит налогообложению прибыль предприятий, находящихся в регионах, пострадавших от радиоактивного загрязнения вследствие Чернобыльской и других радиационных катастроф. Экономический механизм природопользования в переходный период к рыночной экономике нуждается в постоянном совершенствовании. По А. Голубу (1991), в условиях перехода к рынку комплекс экономических мер по отношению к окружающей природной среде должен носить поэтапный характер. Всего предусматривается четыре этапа. На первом этапе подготовка к введению платежей за выбросы и платы за природные ресурсы; пересмотр нормативов временно согласованных выбросов; решение вопроса о возобновлении деятельности предприятий, закрытых на основании экспресс-эколого-экономической экспертизы; освоение выпуска новой природоохранной техники; создание основы службы экологического мониторинга. Очевидно, что первый этап, в основном, преодолен. На втором этапе совершенствование платежного режима природопользования; формирование рынка экологических услуг; определение приоритетных проблем с точки зрения долгосрочного развития приватизации части природно-ресурсного потенциала; реформа механизма ценообразования на природное сырье; усиление службы государственной экологической экспертизы; развитие системы экономического стимулирования в сфере охраны окружающей среды. На третьем этапе формирование рынка природоохранного оборудования и экологических технологий и на четвертом (заключительном) этапе начало реализации долгосрочной экологоэкономической стратегии. 24.6. ПОНЯТИЕ О КОНЦЕПЦИИ УСТОЙЧИВОГО ЭКОЛОГОЭКОНОМИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ Концепция устойчивого развития вошла в природоохранный лексикон после Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992). По первоначальному определению, устойчивое развитие формулировалось как «модель движения вперед, при котором достигается удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения без лишения такой возможности будущих поколений. В широком смысле стратегия устойчивого развития направлена на достижение гармонии между людьми (друг с другом) и между Обществом и Природой» (Коптюг, 1992). В рамках Глобального экологического форума в Рио-де-Жанейро (1992) были сформулированы следующие основные принципы о неразрывности эколого-экономических связей: экономическое развитие в отрыве от экологии ведет к превращению планеты в пустыню; упор на экологию без экономического развития закрепляет нищету и несправедливость. Особо подчеркивалось, что понятие устойчивого развития общества подразумевает обеспечение возможности удовлетворения потребностей людей без угрозы возможности удовлетворить таковые для будущих поколений. «Концепция перехода Российской Федерации к устойчивому развитию» была утверждена Указом Президента от 1 апреля 1996 г. В 1997 г. на заседании правительства одобрена «Государственная стратегия устойчивого развития Российской Федерации». 333 В этих документах отмечается, что, следуя рекомендациям и принципам, изложенным в резолюциях Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992), и руководствуясь ими, представляется необходимым и возможным осуществить в Российской Федерации последовательный переход к устойчивому развитию, обеспечивающему сбалансированное решение социально-экономических задач и проблем сохранения благоприятной окружающей среды и природно-ресурсного потенциала в целях удовлетворения потребностей нынешнего и будущего поколения людей. Решение этих задач возможно лишь в рамках такого экономического развития страны, при котором не будет происходить разрушения естественного биотического механизма регуляции окружающей природной среды, а улучшение качества жизни людей будет обеспечиваться в пределах допустимой хозяйственной емкости биосферы. Исходя из этих принципиальных положений основными направлениями перехода России к устойчивому развитию были приняты следующие: создание правовой основы перехода к устойчивому развитию, включая совершенствование действующего законодательства; разработка системы стимулирования хозяйственной деятельности и установление пределов ответственности за ее экономические результаты, при которых биосфера воспринимается уже не только как поставщик ресурсов, а как фундамент жизни, сохранение которого должно быть непременным условием; оценка хозяйственной емкости локальных и региональных экосистем страны, определение допустимого антропогенного воздействия на них; формирование эффективной системы организации устойчивого развития и создания соответствующей системы воспитания и обучения. Переход нашей страны к устойчивому развитию это весьма длительный процесс, который потребует решения огромных по масштабу эколого-экономических и социальных задач, поэтому он будет осуществляться поэтапно. Основные вехи на этом пути: решение сложнейших социальных и экономических проблем оздоровления окружающей среды, в первую очередь в зонах экологического бедствия; существенная экологизация всего процесса экономического развития; гармонизация взаимодействия с природой всего мирового сообщества и др. Особо следует отметить, что переход к устойчивому развитию потребует безусловного искоренения стереотипов мышления, пренебрегающих возможностями биосферы и порождающих безответственное отношение к обеспечению экологической безопасности. Как считают многие ведущие ученые и специалисты, именно движение человечества к устойчивому развитию, в конечном счете, должно привести к формированию предсказанной В. И. Вернадским сферы разума (ноосферы), к достижению гармоний между Обществом и Природой. Контрольные вопросы 1. Каковы особенности нового экономического механизма охраны окружающей среды? 2. Что такое лицензия, договор и лимит на природопользование? 3. Какими способами в современных условиях повышают заинтересованность природопользователя в сохранении ресурсов и их рациональном использовании? 4. В чем смысл модели устойчивого развития общества? Пути ее реализации в России. 334 ГЛАВА 25. ЭКОЛОГИЗАЦИЯ ОБЩЕСТВЕННОГО СОЗНАНИЯ 25.1. АНТРОПОЦЕНТРИЗМ И ЭКОЦЕНТРИЗМ. ФОРМИРОВАНИЕ НОВОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОЗНАНИЯ Одно из направлений, по которому Россия должна выходить из экологического кризиса, эколого-просветительное. Смысл этого направления заключается в развитии экологического образования, просвещения и воспитания для решения главной задачи перестройки общественного экологического сознания. Общественно-экологическое сознание существовало всегда, на всех этапах исторического развития человечества, объективно отражая существующие на данный момент представления о взаимоотношениях человека и природы. Именно сложившийся тип экологического сознания, как считают ученые-психологи, определял поведение людей при их взаимодействии с миром природы. Объективные реалии свидетельствуют о том, что в настоящее время практически во всех сферах экономической и культурной деятельности человека в его сознании прочно утвердилось представление о «человеческой исключительности» и освобожденности его от подчинения экологическим закономерностям. Поведение людей по отношению к окружающей среде, основанное на парадигме «человеческой исключительности», по мнению многих исследователей, и есть одна из главных причин экологического кризиса на нашей планете. «Проблема состоит не столько в нашем воздействии на окружающую среду, подчеркивает Э. Гор (1993), сколько в наших взаимоотношениях с нею… действительное решение будет найдено в переосмысливании и, в конечном счете, «исцелении» взаимоотношений между цивилизацией и Землей… ключевые изменения будут связаны с выработкой нового мышления относительно этих взаимоотношений». Широко распространенный тип экологического сознания, базирующийся на представлениях о «человеческой исключительности», получил название антропоцентрического. Основные особенности антропоцентризма следующие (Дерябо, Ясвин,1996): 1. Высшую ценность представляет человек. Лишь он самоценен, все остальное в природе ценно лишь постольку, поскольку оно может быть полезно человеку. Природа объявляется собственностью человечества. 2. Иерархическая картина мира. На вершине пирамиды стоит человек, несколько ниже вещи, созданные человеком и для человека, еще ниже располагаются различные объекты природы. 3. Целью взаимодействия с природой является удовлетворение тех или иных прагматических потребностей, т. е. получение определенного «полезного продукта». Сущность его выражается словом «использование». 4. Характер взаимодействия с природой определяется своего рода «прагматическим императивом»: правильно и разрешено то, что полезно человеку и человечеству. 5. Этические нормы и правила действуют только в мире людей и не распространяются на взаимодействие с миром природы. 6. Дальнейшее развитие природы мыслится как процесс, который должен быть подчинен процессу развития человека. Было бы ошибочным полагать, что история развития общественного экологического сознания это история безраздельного господства антропоцентризма, когда человек противопоставляет себя природе и взаимоотношения с ней строит только на основе абсолютного прагматизма. Действительно, в начальную эпоху бурного роста промышленности широкое распространение в научных кругах имели теории, которые объективно способствовали намечавшемуся разрыву человека с природой, неправильно истолковывали ход эволюционного развития биосферы. Среди этих представлений можно отметить настойчивые призывы сделаться властелинами природы, главенствовать над ней, различные теории, по существу отрицавшие реальность угрозы 335 экологического кризиса. В разное время эти и близкие к ним взгляды высказывали Г. Гегель, Б. Спиноза, Ф. Ницше, Р. Декарт и другие ученые. Вместе с тем существовали и принципиально иные представления, согласно которым человек и природа едины и неотделимы друг от друга, а, следовательно, противопоставлять их друг другу в корне неверно и бессмысленно. Крупные шаги в этом направлении были сделаны на рубеже XIX и XX вв. Так, значительным вкладом в развитие взглядов о взаимодействии человека и природы явились положения, высказанные К. Марксом и Ф. Энгельсом в трудах «Капитал», «Диалектика природы» и др. С позиции диалектического материализма в этих работах подчеркивалось, что человек не в состоянии отменить или изменить законы природы они объективны и действуют помимо его воли. Человек не может господствовать над природой, он принадлежит ей и находится внутри нее. Господство человека над природой есть не что иное, как деятельность, основанная на использовании ее законов. К. Маркс писал: «Человеческие проекты, не считающиеся с великими законами природы, приносят только несчастье». Американские исследователи Пауэлл и Фернау были первыми, кто разработал учение о необходимости консервации природных ресурсов для будущих поколений и о справедливом их распределении. Прагматический сиюминутный подход к природопользованию они заменили лозунгом: «Максимум природных благ для большего числа людей на более длительный период». Необходимость новых моральных принципов взаимодействия человека и природы, основанных на признании цивилизации восстанавливающей, а не эксплуатирующей, была обоснована во второй половине XIX в. русскими учеными Н. Ф. Федоровым, В. С. Соловьевым, Н. А. Бердяевым, И. В. Киревским и другими. Главная идея их религиозно-философских воззрений Человек и все, что его окружает это частицы единого, Космоса отсюда это течение получило название русского космизма. На глубоком научном уровне четкое обоснование единства человека и биосферы и неизбежность ее эволюционного превращения в сферу разума ноосферу было сделано В. И. Вернадским, одним из величайших мыслителей ХХ в. Почему в науке возникло понятие «ноосфера»? На современных этапах развития биосферы человеческая деятельность становилась все более главенствующим фактором. Оказалось, что по мере роста производительных сил темпы социально-экономического развития человечества все более опережали темпы природного эволюционного развития, а масштабы воздействия человека на природу стали превосходить все известные геологические процессы. Неразумно расширяя границы своей экологической ниши, которую он занимал в биосфере, как ее естественный элемент, человек в процессе производлственной деятельности, все в большей степени изменял многие параметры биосферы. В результате в современный период в биосфере нарушаются установившиеся скорости естественных биохимических циклов, меняется климат, ухудшается структура и состав генофонда, снижается мощность озонового слоя и т. д. В конечном итоге эти глобальные изменения могут оказаться роковыми для человека, и он попросту может лишиться места в биосфере. «По-видимому, впервые за многие тысячи лет человек вошел в крупный конфликт с биосферой» (Виноградов А. П., 1973). Единственный выход из этого положения, как считал В. И. Вернадский, создание ноосферы. Ноосфера это новый этап в истории биосферы, когда определяющая роль ее развития перейдет от стихийного течения природных процессов и антропогенного воздействия на природу к гармоничному развитию природы и общества. Развитие человека и биосферы пойдет в неразрывной связи по единственному правильному пути коэволюции, на котором не будет ни победителей, ни господства одной из сторон. Под коэволюцией следует понимать такое совместное развитие человеческого общества и биосферы, которое не выводит параметры биосферы из гомеостаза и обеспечивает ее устойчивое развитие. «Геологически мы переживаем сейчас выделение в биосфере царства разума, меняющего коренным образом и ее облик и ее строение ноосферы», писал В. И. Вернадский. Конечно, само 336 по себе появление разума в голове человека еще не означает разумность и общественную полезную значимость его действий. По меткому выражению К. Маркса, «разум существовал всегда, только не всегда в разумной форме». По утверждению В. И. Вернадского, в сфере разума ноосфере должна господствовать гуманистическая мысль, а это предполагает прежде всего гуманизацию социальных отношений, разумное отношение к природе, бережное отношение к ее ресурсам. К природе нельзя относиться потребительски, это не в интересах мыслящего человека. Промежуточным этапом на пути формирования нового экологического сознания следует считать и такие известные философские течения, как «универсальная этика» (А. Швейцер, М. Ганди и др.) и биоцентризм. В их основе «благоговение перед жизнью», равенство в своей самоценности всех живых существ, признание совершенства и духовности Природы, отказ от прагматического подхода в отношении к ней и др. Выдающийся мыслитель-гуманист А. Швейцер (18651965) отмечал, что: «Благодаря власти, которую мы приобрели над силами природы, мы освобождаемся от нее и ставим ее себе на службу. Но одновременно мы отрываемся от природы…» и далее «только этика благоговения перед жизнью совершенна во всех отношениях». По мнению А. Швейцера, недостатком всех существующих этических систем является полное исключение из них любых существ, отличных от человека. Вся сложная и противоречивая история развития мировоззренческих представлений о взаимодействии природы и общества (консервационизм, русский космизм, учение о ноосфере, универсальная этика и биоцентризм) свидетельствует о движении человечества к новому типу экологического сознания экоцентризму, к пониманию необходимости коэволюции человека и биосферы. Экоцентризм характеризуется следующими основными особенностями (Дерябо, Ясвин, 1996): 1. Высшую ценность представляет гармоничное развитие человека и природы. Человек не собственник природы, а один из членов природного сообщества. 2. Отказ от иерархической картины мира. 3. Целью взаимодействия с природой является максимальное удовлетворение как потребностей человека, так и потребностей всего природного сообщества. 4. Характер взаимодействия с природой определяется своего рода «экологическим императивом»: правильно и разрешено только то, что не нарушает существующее в природе экологическое равновесие. 5. Этические нормы и правила равным образом распространяются как на взаимодействие между людьми, так и на взаимодействие с миром природы. 6. Развитие природы и человека мыслится как процесс коэволюции, взаимовыгодного единства. В последние годы в нашей стране и за рубежом начал разрабатываться свод основных экологических положений и принципов, который, по мнению их авторов, должен соблюдаться на всех уровнях жизни человека от индивидуальной до общечеловеческой. Среди них значительный интерес представляют основные положения «биосферной этики», разработанные с позиций экоцентризма российским ученым Ф. Я. Шипуновым (1990): 1. Прежде всего, что не должно делать много или мало выбрасывать в биосферу отравляющие вещества ядохимикаты, фреоны, полихлорбифенилы и весь им подобный арсенал искусственного химического мира, который никогда не существовал в окружающей среде. Потому что всякое из этих веществ, взаимодействуя с природными, порождает в биосфере десятки и сотни других, так называемых парагенетических веществ («пара» рядом, около), многие из которых становятся более ядовитыми, чем исходные. … Следует воспроизводить… естественные вещества и материалы, которые обычны в биосфере и разлагаются микроорганизмами, т. е. естественным путем. 2. Не должно повышать радиационный уровень биосферы, выбрасывая в нее искусственные радиоактивные изотопы от атомной энергетики и промышленности. 3. Не должно к тому же добавлять в собственную среду новые электромагнитные поля, так как 337 они не исчезают бесследно и сказываются на каждом живом существе. 4. Не следует растрачивать «основной капитал» энергии биосферы и ее окружения, потому что в них нет ни одной калории лишней энергии, которая могла быть использована даром и без последствий. 5. Нельзя уничтожать и разрушать виды твердых, газовых и жидких минералов, виды растений и животных, потому что они есть не только продукт физико-химического и биологического равновесия, но и носители этого равновесия, определяющие организованность биосферы. Их нужно рассматривать и оберегать как драгоценное наше состояние, как продукт длительного планетнокосмического процесса. 6. Не следует тем более уничтожать и разрушать любые подразделения биосферы луга, леса, болота, реки, озера, эстуарии, заливы, моря и т. п. … где сложным образом взаимосвязаны и взаимодействуют разные виды живой и неживой природы… 7. Не должно создавать организованность биосферы техническими средствами… потому что это есть отказ от более совершенной организованности природы в пользу менее совершенной, это есть перевод биосферы на более низкую качественную ступень… В самой простой форме принципы биосферной этики (по Ф. Я. Шипунову) таковы: уважение ко всему живому (и, в частности, к человеку), уважение к природе, т. е. биосфере и ее окружению, и уважение к космосу. Становление ноосферы и нового экологического сознания будет длительным, «противоречивым и мучительным и потребует новых принципов нравственности, среди которых решающее значение будет иметь переход от принципа количественного роста, беспредельного, примитивного накопления материальных богатств за счет разрушения биосферы Земли к принципу возвышения разума и духа при сдержанном, лишь необходимом материальном достатке» (Войткевич, Вронский, 1996). 25.2. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ, ВОСПИТАНИЕ И КУЛЬТУРА Экологическое образование целенаправленно организованный, планомерно и систематически осуществляемый процесс овладения экологическими знаниями, умениями и навыками. Указом Президента РФ «О государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития» (1997) в качестве одного из важнейших направлений государственной политики в области экологии намечено развитие экологического образования и воспитания. Постановлением правительства создан Межведомственный совет по экологическому образованию. Государственная Дума в первом чтении приняла Федеральный закон «О государственной политике в области экологического образования». Вместе с социально-гуманитарным образованием экологическое образование в современных условиях призвано способствовать формированию у людей нового экологического сознания, помогать им в усвоении таких ценностей, профессиональных знаний и навыков, которые содействовали бы выходу России из экологического кризиса и движению общества по пути устойчивого развития. Действующая в настоящее время в стране система экологического образования носит непрерывный, комплексный, междисциплинарный и интегрированный характер, с дифференциацией в зависимости от профессиональной ориентации. Созданы центры по экологическому образованию населения, апробируется экологическая компонента содержания профессионального образования. Специалисты экологического профиля готовятся сегодня более чем в 40 университетах и академиях и 30 педвузах России. Состоялся первый выпуск бакалавров первого в России негосударственного высшего учебного заведения экологического профиля Международного независимого экологополитологического университета (МНЭПУ). Одним из важнейших направлений своей деятельности МНЭПУ считает содействие «становлению новой этики, необходимой для пересмотра взаимоотношений человека и «биосферы». Координация усилий различных стран в сфере экологического образования осуществляется Организацией Объединенных Наций по культуре, науке и образованию (ЮНЕСКО). Ее генеральный 338 директор Ф. Майор считает необходимым постановку Глобального экологического воспитания в центр всех учебных программ, начиная с дошкольных организаций и кончая вузами и системами переподготовки кадров. По его представлениям: «наше выживание, защита окружающей среды могут оказаться лишь абстрактными понятиями, если мы не внушим каждому… простую и убедительную мысль: люди это часть природы, мы должны любить наши деревья и реки, пашни и леса, как мы любим саму жизнь» (1990). Экологическое воспитание призвано формировать активную природоохранную позицию. Экологическое воспитание, по Н. Ф. Реймерсу (1992), достигается с помощью комплекса природоохранного и экологического обучения, включающего воспитание в узком смысле слова, школьное и вузовское экологическое просвещение, пропаганду экологического мировоззрения. Основные цели экологического воспитания в современных условиях, провозглашенные в многочисленных манифестах, кодексах, сводах и т. д., могут быть сведены к следующим постулатам, которые должны быть осознаны, понятны и признаны: всякая жизнь самоценна, уникальна и неповторима; человек ответственен за все живое; Природа была и всегда будет сильнее человека. Она вечна и бесконечна. Основой взаимоотношения с Природой должна стать взаимопомощь, а не противоборство; чем более разнообразна биосфера, тем она устойчивее; призрак экологического кризиса стал грозной явью; человек оказывает на природную среду недопустимое по масштабам дестабилизирующее воздействие; если все оставить так, как есть (или слегка модернизировать), то «уже скоро спустя всего лишь 2050 лет, Земля ответит одуревшему человечеству неотразимым ударом на уничтожение»; сложившийся в массовом сознании в течение многих лет антропоцентрический тип сознания должен быть вытеснен новым видением мира экоцентрическим; люди должны быть правильно ориентированы и готовы к радикальному изменению системы ценностей и поведения, а именно к отказу от перепотребления (для развитых стран), от установки на многодетную семью (для развивающихся стран) и от экологической безответственности и вседозволенности. Экологическое воспитание должно базироваться на основном постулате о том, что выход из экологического кризиса в современных условиях возможен. Ключи к решению глобальной экологической проблемы в переоценке мировоззренческих ценностей и в «смене приоритетов», а также в нормализации численности населения через планирование семьи, в неустанной практической работе по реализации основных направлений в охране окружающей среды. Вряд ли можно согласиться с теми авторами, которые утверждают, что в процессе «смены приоритетов» воспитание экологического сознания играет важную, но все-таки не главную роль. По их мнению, главный фактор успеха экономический, а экологическое самосознание лишь облегчает переход к экономному образу жизни. Конечно, одного экологического мышления при решении природоохранных работ будет мало, если оно не опирается на прочную экономическую основу. Но с другой стороны, возможно ли осуществить концепцию экологически устойчивого развития, при котором экономика должна развиваться наряду, вместе с экологией, людьми, у которых сформировался антропоцентрический тип экологического сознания? Предлагаем самим студентам порассуждать на эту тему и сделать необходимые выводы. Предварительно можем предложить следующую цитату: «Мы получили в наследство невыразимо прекрасный и многообразный сад, но беда в том, что мы никудышние садовники. Мы не позаботились о том, чтобы усвоить простейшее правило садоводства. С пренебрежением относясь к нашему саду, мы готовим себе в не очень далеком будущем мировую катастрофу не хуже атомной войны, причем делаем это с благодушным самодовольством малолетнего идиота, стригущего ножницами картину Рембрандта» (Д. Дарелл). Высшей стадией экологизации сознания является экологическая культура, под которой 339 понимают весь комплекс навыков бытия в контакте с окружающей природной средой. Все большее число ученых и специалистов склоняются к мнению, что преодоление экологического кризиса возможно лишь на основе экологической культуры, центральная идея которой: совместное гармоническое развитие природы и человека и отношение к природе не только как к материальной, но и как к духовной ценности. Российские ученые В. И. Данилов-Данильян и К. С. Лосев (1996) утверждают, что человеку надо думать не об управлении эволюцией, а об управлении самим собой, что означает прежде всего следование законам Природы. Человек должен осознать свою роль в биосфере как один из видов, который, как и все остальные, обязан подчиняться законам развития биосферы. Мировое сообщество не может существовать без экологической культуры, поскольку без нее трудно рассчитывать на выживание человечества в условиях экологического кризиса. Правила «не повреди» и «думать глобально, действовать локально» обязательны для всех людей (Реймерс, 1992). Во имя жизни на Земле человечеству предстоит возродить, сберечь и развить все основные ценности экологической культуры. Контрольные вопросы 1. Охарактеризуйте основные этапы формирования нового экологического мировоззрения. 2. В чем суть ноосферного мышления? 3. Почему на смену антропоцентризму должен прийти новый тип экологического сознания экоцентризм? 4. Каковы основные принципы биосферной этики (по Ф. Я. Шипунову)? 5. Что такое экологическое образование, воспитание и культура? 340 ГЛАВА 26. МЕЖДУНАРОДНОЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО 26.1. РОЛЬ МЕЖДУНАРОДНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ОТНОШЕНИЙ Гармонизация международных экологических отношений один из основных путей выхода мирового сообщества из экологического кризиса. Общепризнано, что реализовать стратегию выхода из него можно лишь на основе единства природоохранных действий всех государств. Сегодня ни одна страна не в состоянии решить свои экологические проблемы в одиночку или сотрудничая лишь с небольшой группой стран. Необходимы четкие согласованные усилия всех государств, координация их действий на строгой международно-правовой основе. Согласно Федеральному закону «Об охране окружающей среды» (2002 г.) (ст. 82), если международным экологическим договором, заключенным Российской Федерацией, установлены иные правила, чем те, которые содержатся в российском законодательстве, то применяются правила международного договора. Тем самым в России законодательно закрепляется принцип примата международного права над внутренним в области экологического сотрудничества. Природа не знает государственных границ, она всеобща и едина. Поэтому нарушения в экосистеме одной страны неминуемо вызывают ответную реакцию в сопредельных. И если, например, промышленные предприятия ФРГ или Англии выбрасывают в атмосферу дымовые газы с недопустимо высоким процентом вредных примесей, то это негативно сказывается не только на экологическом состоянии этих стран, но наносит значительный ущерб флоре и фауне соседних стран. Понятно, что не признают государственных границ и все другие компоненты природной среды (речной сток, морские акватории, мигрирующие виды животных и т. п.). Высокая приоритетность экологического фактора в международных отношениях постоянно возрастает, что связано с прогрессирующим ухудшением состояния биосферы. Есть все основания полагать, что в ХХI в. экология будет в ряду высших приоритетов глобальной системы международных отношений. Уже сейчас некоторые государственные деятели считают возможным создание такого надгосударственного органа, который бы управлял охраной и рациональным использованием окружающей среды во всех государствах и регионах. 26.2. НАЦИОНАЛЬНЫЕ И МЕЖДУНАРОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Объекты охраны окружающей среды подразделяются на национальные (внутригосударственные) и международные (общемировые). К национальным (внутригосударственным) объектам относятся земля, воды, недра, дикие животные и другие элементы природной среды, которые находятся на территории государства. Национальными объектами государства распоряжаются свободно, охраняют и управляют ими на основании собственных законов в интересах своих народов. Международные объекты охраны окружающей среды это объекты, которые находятся в пределах международных пространств: Космос, атмосферный воздух, Мировой океан и Антарктида (рис. 26.1) либо перемещаются по территории различных стран (мигрирующие виды животных). Эти объекты не входят в юрисдикцию государств и не являются чьим-либо национальным достоянием. Они осваиваются и охраняются на основании различных Договоров, Конвенций, протоколов, отражающих совместные усилия международного сообщества. 341 Рис. 26.1. Классификация международных объектов охраны окружающей среды Существует еще одна категория международных объектов природной среды, которая охраняется и управляется государствами, но взята на международный учет. Это, во-первых, природные объекты, представляющие уникальную ценность и принятые на международный контроль (заповедники, национальные парки, резерваты, памятники природы), во-вторых, исчезающие и редкие животные и растения, занесенные в Международную Красную книгу, и, в-третьих, разделяемые природные ресурсы, постоянно или значительную часть года, находящиеся в пользовании двух или более государств (реки Дунай, Балтийское море и др.). Одним из важнейших объектов международной охраны является Космос. Ни одна страна в мире не имеет каких-либо прав на космическое пространство. Космос достояние всего человечества. Этот и другие принципы отражены в международных Договорах по использованию космического пространства. В них Международным сообществом признаны: недопустимость национального присвоения частей космического пространства, включая Луну и другие небесные тела; недопустимость вредного воздействия на Космос и загрязнения космического пространства. Оговорены также условия спасания космонавтов. Для ограничения военного использования Космоса большое значение имеет Договор об ограничении систем противоракетной обороны и советско-американские Соглашения об ограничении стратегических наступательных вооружений (СНВ). Мировой океан также представляет собой объект международной охраны. Он содержит огромное количество полезных ископаемых, биологических ресурсов, энергии. Велико и транспортное значение океана. Освоение Мирового океана должно проводиться в интересах всего человечества. Попытки оформления национальных притязаний на морские ресурсы и пространства предпринимались давно и к 5070-м годам прошлого столетия вызвали необходимость юридического регулирования освоения Мирового океана. Эти вопросы рассматривались на трех международных конференциях и завершились подписанием более чем 120 странами Конвенции ООН по морскому праву (1973). Конвенцией ООН признается суверенное право прибрежных государств на биоресурсы в 200-мильных прибрежных зонах. Подтверждена незыблемость принципа свободного мореплавания (за исключением территориальных вод, внешняя граница которых установлена на 12-мильном 342 расстоянии от берега). Антарктиду справедливо называют материком мира и международного сотрудничества. В 1959 г. СССР, США, Англия, Франция, Аргентина и ряд других стран заключили Договор об Антарктиде, в котором провозглашалась свобода научных исследований, использование этого материка только в мирных целях, определялся международно-правовой режим Антарктиды. Новые более жесткие меры по охране животного и растительного мира, удалению отходов и предупреждению загрязнения отражены в Протоколе, подписанном в октябре 1991 г. в Мадриде по итогам международного сотрудничества в Антарктиде. Еще один важнейший международный объект охраны окружающей среды атмосферный воздух. Усилия международного сообщества нацелены главным образом на предупреждение и устранение трансграничного переноса загрязнителей атмосферы и охрану озонового слоя от разрушения. Международные отношения в этих вопросах регулируются Конвенцией 1979 г. о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния, Монреальскими (1987) и Венскими (1985) соглашениями по озоновому слою, Конвенцией о трансграничном воздействии промышленных аварий (1992) и другими согласованными документами. Особое место среди международных конвенций и соглашений по охране воздушного бассейна имел Московский договор 1963 г. о запрещении испытания ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой, заключенный между СССР, США и Англией, другие соглашения 7090-х годов об ограничении, сокращении и запрещении ядерного, бактериологического, химического оружия в различных средах и регионах. В 1996 г. в ООН торжественно подписан Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний. 26.3. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МЕЖДУНАРОДНОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОТРУДНИЧЕСТВА Международное сотрудничество в области охраны окружающей среды регулируется международным экологическим правом, в основе которого лежат общепризнанные принципы и нормы. Важнейший вклад в становление этих принципов внесли Стокгольмская конференция ООН по проблемам окружающей человека среды (1972 г.), Всемирная Хартия природы (ВХП), одобренная Генеральной Ассамблеей (1982) и Международная конференция ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992). Соответственно в истории развития (кодификации) основных экологических принципов международного сотрудничества обычно выделяют три этапа (периода). 1. Стокгольмская конференция ООН по окружающей среде (1972) ознаменовала начало важнейшего этапа в экологической политике государств и международных сообществ. По итогам конференции была принята Декларация, в которой определялись стратегические цели и направления действий мирового сообщества в области охраны окружающей среды. Стокгольмская конференция провозгласила 5 июня Всемирным днем окружающей среды. На конференции был образован постоянно действующий орган ООН по окружающей среде (ЮНЕП) со штабквартирой в г. Найроби (Кения). Программа ЮНЕП предусматривает организацию и планирование природоохранных действий в пределах трех функциональных направлений: 1) оценка окружающей среды глобальная система наблюдений; 2) управление окружающей средой и 3) вспомогательные меры (образование в области окружающей среды и подготовка кадров). ЮНЕП координирует также деятельность других международных организаций по использованию, воспроизводству и охране компонентов окружающей среды земель, вод, атмосферы, растительного и животного мира и др. 2. Всемирная Хартия природы (ВХП) принята Генеральной Ассамблеей ООН 28 октября 1982 г. Как и Стокгольмская декларация, Всемирная Хартия природы определила приоритетные направления экологической деятельности международного сообщества на тот период, что в значительной мере предопределило дальнейшее формирование экологической политики государств. По мнению многих ученых и специалистов, Всемирная Хартия природы в сравнении с конференцией 343 в Стокгольме (1972) продвинулась дальше по пути «генерализации международных юридических принципов охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов». В Хартии были провозглашены следующие основные принципы: Человечество осознает, что является составной частью природы. Поэтому к природе следует относиться с уважением и не нарушать ее основных принципов. Генетическая основа жизни на Земле не должна подвергаться опасности. Популяция каждой формы жизни, дикой или одомашненной, должна сохраняться, необходимую для этого среду обитания следует сохранять. Все регионы Земли, как на суше, так и на морях, должны быть подчинены охране в соответствии с этими требованиями, особая защита должна обеспечиваться уникальным районам типичным представителям всех видов экосистем и среды обитания редких или исчезающих видов. Природные ресурсы должны не расточаться, а использоваться умеренно, как того требуют принципы, изложенные в настоящей Хартии; биологические ресурсы используются лишь в пределах их природной способности к восстановлению; ресурсы многократного пользования, включая воду, используются повторно или рециркулируются. Согласно Хартии деградация природных систем в результате чрезмерного и нерационального использования природных ресурсов, так же как и неспособность установить прочный экологоэкономический порядок между странами и народами, ведут к подрыву основ цивилизации. 3. Конференция ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 314 июня 1992 г .). В Рио-де-Жанейро встретились 114 глав государств, представители 1600 неправительственных организаций. Бесспорно, это был самый впечатляющий форум по экологии в ХХ в. Открывая конференцию, Генеральный секретарь ООН Б. Бутрос Гали отметил, что: «Никогда ранее в истории так много не зависело для вас самих, для ваших детей, для ваших внуков, для жизни во всем многообразии ее форм от того, что вы делаете или не делаете». На конференции были одобрены пять основных документов: Декларация РИО об окружающей среде и развитии, Повестка дня XXI в., Заявление о принципах управления, сохранения и устойчивого развития всех типов лесов, Рамочная конвенция по проблеме изменений климата, Конвенция по биологическому разнообразию. Важнейшими достижениями Конференции ООН было признание следующих фактов: «проблемы окружающей среды и экономического развития не могут рассматриваться раздельно» (принцип 4), «государства должны сотрудничать в духе всемерного партнерства с целью сохранить, защитить и восстановить здоровье и целостность экосистемы Земли» (принцип 7), «мир, развитие и защита окружающей среды взаимосвязаны и неразделимы» (принцип 25). В основу разработки экологической стратегии государством мирового сообщества рекомендовалось положить концепцию устойчивого развития. На Конференции было подчеркнуто, что устойчивому развитию, под которым понимается одновременное решение проблем экономического развития и экологии, нет разумной альтернативы. Подводя итоги конференции, генеральный секретарь оргкомитета М. Стронг (Канада) подчеркнул беспрецедентный масштаб и значимость этого события. «Мир после конференции должен стать другим, заявил он. Другим должна стать дипломатия и система международных отношений ООН, а также правительства, принявшие на себя обязательства продвигаться к устойчивому развитию». Для человеческой популяции среда обитания вся биосфера, которая представляет единую и целостную систему, поэтому успешное продвижение всего мирового сообщества к устойчивому развитию возможно лишь на основе согласованных усилий всех государств. В 2002 г. в Йоханнесбурге (ЮАР) состоялся крупнейший Всемирный саммит по устойчивому развитию «РИО 10», на котором были подведены итоги первого десятилетия движения мирового сообщества по пути устойчивого развития. 344 26.4. УЧАСТИЕ РОССИИ В МЕЖДУНАРОДНОМ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ СОТРУДНИЧЕСТВЕ Наша страна играет значительную роль в решении глобальных и региональных экологических проблем. Будучи правопреемником СССР, Российская Федерация взяла на себя договорные обязательства бывшего СССР по предотвращению экологической катастрофы, сохранению биосферы и обеспечению развития человечества. Основные направления международного сотрудничества России в области охраны окружающей среды следующие: 1) государственные инициативы; 2) международные организации; 3) международные конвенции и соглашения; 4) двустороннее сотрудничество. Государственные инициативы по международному сотрудничеству в области охраны окружающей среды имеют давнюю историю. Только в 8090-е годы нашей страной был выдвинут целый ряд конструктивных предложений по международному сотрудничеству в целях экологической безопасности, например, по природоохранному взаимодействию в Азиатско-Тихоокеанском регионе (г. Красноярск, сентябрь 1988 г.), по защите морской среды Балтики (г. Мурманск, октябрь 1987 г.), по координации усилий в области экологии под эгидой ООН (43-я сессия Генеральной Ассамблеи ООН, декабрь 1988 г.). Российская Федерация продолжает играть активную роль в международном экологическом сотрудничестве. В частности, важные предложения участникам конференции в Рио-де-Жанейро содержались в послании Президента России (1992). Решения Конференции ООН в Рио-де-Жанейро (1992) были одобрены в России и нашли отражения в Концепции перехода Российской Федерации на модель устойчивого развития. Россия уделяет большое внимание и организации международного партнерства по решению проблем перехода к устойчивому развитию. Международные организации по охране природы действуют почти во всех странах мира. Органы руководства сосредоточены прежде всего в ООН. Ключевую функцию по организации природоохранной деятельности в системе ООН осуществляет упомянутая выше ЮНЕП Программа ООН по окружающей среде. Россия активно сотрудничает с ЮНЕП и другими организациями в области охраны окружающей среды в выработке стратегии защиты от загрязнения, создании системы глобального мониторинга, борьбы с опустыниванием и др. Большую активность в решении глобальных природоохранных проблем проявляет Международный союз охраны природы (МСОП), переименованный в 1990 г. во Всемирный союз охраны природы. СССР вступил в союз на правах члена-государства в 1991 г., а сейчас это членство продолжает Российская Федерация. В настоящее время МСОП стал одним из лидеров в разработке проблем биоразнообразия. По инициативе МСОП выпущена Международная Красная книга редких и исчезающих видов растений и животных (в пяти томах). Много внимания Россия уделяет работе и в других специализированных организациях ООН, имеющих комплексный природоохранный характер, в частности: ЮНЕСКО (орган ООН по культуре, науке и образованию), ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения), ФАО (орган ООН по продовольствию и сельскому хозяйству). Укрепляются научные связи России с МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии). Россия активно содействует реализации основных программ Всемирной метеорологической организации ООН (ВМО), в частности Всемирной климатической программы. По каналам ВМО в Россию поступает информация о состоянии Мирового океана, атмосферы, озонового слоя Земли и загрязнении окружающей среды. Россия продолжает развивать и углублять экологическое сотрудничество по линии 345 международных конвенций (договоров) и соглашений на многосторонней основе. Свыше 50 международных документов, подписанных Российской Федерацией, а также бывшим Союзом ССР, и принятых ею к исполнению, регулируют ныне российское экологическое сотрудничество с другими государствами. Продолжается сотрудничество в рамках Конвенции ООН по морскому праву (1982) и по другим соглашениям и договорам об охране Мирового океана. Большая работа ведется по выполнению Конвенции о сохранении живых ресурсов в Балтийском море (1973), о международной торговле видами дикой фауны и флоры (1973), по защите Черного моря, ратифицированной в 1993 г., о контроле за трансграничной перевозкой опасных отходов (1995) и многих других. В 1995 г. Россия ратифицировала Конвенцию о биологическом разнообразии, а в 1997 г. Протокол по Антарктике. Говоря о международных договорах, заключенных Россией на многосторонней основе, нельзя не сказать о международном сотрудничестве со странами СНГ бывшими союзными республиками СССР. Основным документом здесь является межправительственное Соглашение о взаимодействии в области экологии и охраны окружающей природной среды, подписанное в Москве в феврале 1992 г. представителями десяти стран. На основе межправительственных соглашений развивается двустороннее сотрудничество со всеми пограничными странами, включая государства СНГ, а также с США, Великобританией, Францией, Китаем и другими странами. Наиболее плодотворно в настоящее время развивается российско-американское сотрудничество (проблема озера Байкал, мероприятия по регулированию качества воды, организация заповедников и др.), российско-германские связи (экологические проблемы в регионах, район озера Байкал, обмен радиологической информацией и др.), а также сотрудничество со Скандинавскими странами (экологически безопасные технологии, строительство водоочистных сооружений, охраняемые территории на Карельском перешейке). Несмотря на достигнутые успехи для выхода из экологического кризиса необходимо дальнейшее развитие и активизация международного сотрудничества как на двусторонней, так и на многосторонней основе, включая организации системы ООН. Россия, на долю которой приходится значительная часть экосистем, практически не затронутых хозяйственной деятельностью (более 1/3 территории России, или 700800 млн га, в том числе опорный стабилизирующий блок биосферы Сибирь), непременно будет играть все более возрастающую роль в решении экологических проблем всего мирового сообщества. Контрольные вопросы 1. Почему необходимость гармонизации международных экологических отношений становится ключевой проблемой экологической стратегии государств? 2. Какие объекты окружающей среды относят к международным и национальным? 3. Что вы знаете о важнейшем форуме по экологии в ХХ в. Конференции ООН в Рио-деЖанейро в 1992 г.? 4. Какова роль России в международном экологическом содружестве? 346 ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МАНИФЕСТ ПО Н. Ф. РЕЙМЕРСУ (ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ) Природа. Тысячелетиями мы боролись с ней, покоряли ее, преобразовывали, нещадно уничтожали. Но не природе нужна наша защита. Это нам необходимо ее покровительство: чистый воздух, чтобы дышать, кристальная вода, чтобы пить, вся Природа, чтобы жить. Она Природа была и всегда будет сильнее человека, ибо она его породила. Он лишь миг в ее жизни. Она же вечна и бесконечна. Биосфера серьезно больна. Ее поразило вмешательство человека в ее жизнь. Бездумная техника сминает природу, кромсает биосферу, давит человечество, травит Землю. Этот путь окончен. Век безоглядной эксплуатации природы человеком позади. Природа требует воспроизводства. В обращении с планетой нужны глубокие знания и мудрая осторожность. Они символ экологии. Объединимся же под знаком мудрости экологического гуманизма! Наше НЕТ: любым войнам; любым битвам с Природой; безграмотному технократизму и волюнтаризму в природопользовании; шапкозакидательству в демографии; технократическому гигантизму, который всегда предвещает начало конца; всему, что конъюнктурно и не обещает реальных экономических выгод на перспективу столетий, и только в этой совокупности благ, а не иначе; всему, что грозит биосфере Земли, угрожает людям, каждому человеку. Наше ДА: миру и спокойствию; любви и уважению к Природе фундаменту и условию человеческой жизни; сохранению биосферы того типа, в которой возник и развивался Человек разумный; максимальному сбережению видов живого, мест обитания; ресурсосберегающим, экономным и малоотходным технологиям; «замкнутым» циклам производства; новым биологизированным путям развития сельского хозяйства; заводам без дыма, фабрикам без ядовитых стоков, автомашинам без удушливого выхлопа; тишине; трезвой демографической стратегии; экологической культуре. Грядет новая эпоха. На пороге глобальная революция мирная революция экологии. Ее цели выживание планеты Земля. Зеленый свет всему, что сберегает ресурсы жизни. 347
