Функционирование агроэкосистем в условиях техногенеза

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ АГРОЭКОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ

ТЕХНОГЕНЕЗА

1.  ТЕХНОГЕНЕЗ

2.  ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, ПОСЛЕДСТВИЯ ТЕХНОГЕНЕЗА

3.  КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ФАКТОРОВ

ТЕХНОГЕНЕЗ

Непрерывно изменяя и преобразовы­вая вещества и предметы природной сре­ды, люди обеспечивают себе благоприят­ные условия и средства существования. На более высоких ступенях обществен­ного развития начинается преобразова­ние и самой среды. В конечном итоге каждый продукт труда представляет со­бой результат совместных действий лю­дей и природы, а уровень развития про­изводительных сил общества отражает масштабы такого взаимодействия.

По мере роста производительных сил использование природно-ресурсного потенциала неуклонно расширяется, степень «участия» природной среды в системе общественного производства возрастает, что обусловливает в итоге по­стоянное усиление разностороннего ант­ропогенного воздействия на природные комплексы и их компоненты.

Прямым следствием такого воздей­ствия является, несомненно, формиро­вание и развитие процессов техногенеза.

Техногенез — это процесс изменения природных комплексов под воздействи­ем производственной деятельности че­ловека. Заключается в преобразовании биосферы, вызываемом совокупностью геохимических процессов, связанных с технической и технологической деятель­ностью людей по извлечению из окру­жающей среды, концентрации и пере­группировке целого ряда химических элементов, их минеральных и органи­ческих соединений.

В результате промышленной, сельс­кохозяйственной и иной многоплано­вой деятельности человека возникает техногенная миграция значительных объемов разнообразнейших веществ, большинство из которых загрязняют окружающую природную среду (табл.1,2).

На долю сельского хозяйства в 1970 г. приходилось более 39 % отходов. Данная величина в абсолютном выра­жении в последнее время существенно возросла. Это важно иметь в виду при разработке природоохранных меропри­ятии, поскольку процессы техногенеза, как правило, объясняют энергетически­ми, промышленными и транспортными воздействиями. Из-за структурной спе­цифики сельскохозяйственных отходов н своеобразия последующих трансфор­мационных процессов непосредствен­ный контакт их и взаимодействие с при­родными компонентами (почвой, водой и др.) происходят весьма активно.

Таблица 1

Объем (млн т) и структура отходов производства и потребления в мире в 1970 г. (Торчешпиков и др., 1981, с изменениями)

Категория отходов	Производство «классической» энергии	Промышлен­ность	Сельское хозяйство	Коммунально-бытовой сектор	Всего
Главные газообразные вещества, загрязняющие атмосферу	17326	47	1460	873	19706
Выброс твердых частиц в атмосферу	133	91	14	3	241
Твердые отходы	—	4000	—	1000	5000
Углеводороды	42	14	9	4	69
Органические отходы	—	—	4500	30	4530
Фекальные отходы	—	—	9400	180	9580
Итого	17501	4152	15383	2090	39126

Таблица 2

Количество некоторых опасных атмосферных и водных загрязняющих веществ, приходящееся на одного человека в России в 1989 г.

(Лосев и др., 1993)

Атмосфера	Вода
Оксид угле­рода	Углеводоро­ды	Свинец	Ртуть	Бенз (а)-пирен	Фториды	Фенол	Тяжелые металлы

60кг 40кг 23 г 170мг 100мг 90 г 30 г 14г

*Без учета транспортных выбросов; остаточных количеств пестицидов; диоксинов; особо токсич­ных отходов, которых в расчете на одного жителя России приходится около 130 кг.

Материалы, приведенные в таблице 2, дают усредненную картину влияния загрязняющих веществ на тер­риторию и людей. По сути дела в России уже сформировалось «Единое поле загрязнений», ставшее значимым фак­тором дестабилизации естественных и искусственных экологических сооб­ществ.

Примерно на трети площади суши явно не проявляется деятельность чело­века. Ориентировочно такого рода «сво­бодные» территории составляют (%): в Северной Америке — 37,5; странах СНГ —33,6; Австралии и Океании — 27,8; Африке—27,5; Южной Америке-20,8; Азии—18,6; Европе —2,8. Лишь Антарктида практически не подвержена антропогенному вмешательству. По мне­нию и др. (1996), степень экологического неблагополучия, обусловленного хозяйственной деятельнос­тью, носит отчетливо выраженный регио­нальный характер.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Загрязнение.Интегральный показа­тель последствий техногенеза — загряз­нение окружающей природной среды. Загрязнением в узком смысле считается привнесение в какую-либо среду новых, нехарактерных для нее физических, хи­мических и биологических агентов или превышение естественного средне многолетнего уровня содержания этих аген­тов в среде. Например, в «Толковом словаре по охране природы» (1995) да­ется такое определение: загрязнение - все то, что находится не в том месте, не в то время и не в том количестве, какое естественно для природы, что выводит ее системы из состояния равновесия и отличается от обычно наблюдаемой нормы. Загрязнение может быть вызва­но любым агентом (загрязняющим ве­ществом), в том числе самым чистым. Загрязнение может возникать как в ре­зультате естественных причин (природ­ное), так и под влиянием деятельности человека (антропогенное). С экологических позиций загрязне­ние означает не просто привнесение чуждых компонентов.

Последствия техногенеза.

Агроэкологические системы, ставшие неотъемле­мой составной частью современной биотехносферы, испытывают, как и ес­тественные ценозы, постоянные техно­генные воздействия, подвергаются вли­янию различных загрязнений локально­го, регионального и глобального харак­тера. Как отмечалось, загрязнения представляют собой систему помех, на­рушающих процессы массо - и энерго­обмена. В агроэкологических системах это проявляется в изменении количе­ственных и качественных характерис­тик составляющих их природных ком­понентов, снижении устойчивости и па­дении продуктивности возделываемых культур. В результате усложняется (и подчас существенно) достижение целе­вой функции — стабильного производ­ства сельскохозяйственной продукции.

В районе источника интенсив­ных газопылевых выбросов по степени деградации растительного покрова от­четливо выделяются зоны: с отсутствием растительности или сильным ее угнете­нием (зона «техногенной пустыни»); среднего угнетения; слабого угнетения и неповрежденная (фоновая). В рассмат­риваемой ситуации общая площадь заг­рязнения почв и растений составила около 19 тыс. га, из них примерно 1,7 тыс. га приходилась на зону очень сильного угнетения.

с соавт. (1998), говоря о загрязнении атмосферного воздуха и почв, нарушении и даже пол­ном уничтожении естественных фито-ценозов, возможном изменении флори­стического состава разных типов расти­тельности, образовании техногенных геохимических провинций и т. д. под влиянием газопылевых выбросов, обра­щают внимание на то, что зона актив­ного загрязнения может простираться на 5км, а нередко и на несколько десятков километров. Так, в зоне дей­ствия предприятий Норильского горно­металлургического комбината значи­тельные изменения состояния и состава естественного фитоценоза обнаружива­ются на расстоянии до 60...70 км от ис­точника техногенных выбросов.

Если же обратиться к агроэкосистемам, то можно отметить следующее. Последствия техногенеза отрицательно сказываются на состоянии почв. На­пример, число дождевых червей в па­хотном слое почвы зависит от удаления от источника выброса и направления (Е-восток, W-запад) (Луке, 1981):

В почве этого ареала содержится 200...2000 частей на тысячу As, 100...200 частей на тысячу РЬ и до 1000 частей на тысячу Zn. На расстоянии до 600 м в па­хотных слоях черви практически полно­стью отсутствуют, на протяжении 1500 м их численность значительно сни­жена. Это свидетельствует об «омертв­лении» почвы.

В результате действия загрязнений снижается продуктивность агроэкосистем (табл. 4).

Таблица 4

Снижение урожайности сельскохозяйственных культур (%) в зависимости от расстояния до источ­ника вредных выбросов в атмосферу (Балацкий, 1979)

Культура	Расстояние, км
	2...3	5
Пшеница	18,7	9,4
Рожь	15,2	7, 6
Ячмень	24,4	12,2
Овес	31,1	15,5
Кукуруза	25,0	12,5
Картофель		18.24.
Свекла		13.31
Лен	62,6	31,3
Клевер	33,1	16,6
Люцерна	37,8	18,9

При скармливании на протяжении двух лет (в общей сложности 37 нед) лактирующим коровам загрязненных кормов удои по сравнению с удоями животных, получавших только промы­тые корма, были в среднем на 19,8 % ниже. При использовании загрязнен­ных кормов наблюдалось снижение прироста массы у крупного рогатого скота на 19,4...37,5 %.

Выработаны схемы, позволяющие лучше понять ха­рактер, направленность и особенности взаимосвязей, формирующихся в фун­кционально сложившейся системе: техногенные воздействия — окружаю­щая среда — растения — животные - человек, а также сложность этих взаи­мосвязей. Продукты техногенеза в виде разнообразных загрязняющих ве­ществ проходят многостадийные пре­вращения, что необходимо учитывать при формировании продуктивных агроэкосистем.

Центральное место в агроэкосистемах занимают продуценты (автотроф-ное звено), представляемые широким набором культивируемых растений. Именно в этом звене в значительной мере непосредственно и опосредованно депонируются продукты техногенеза, прежде всего газопылевые выбросы. Различают невидимые воз­действия загрязнений на раститель­ность и видимые повреждения.

К основным невидимым воздействи­ям относятся: загрязнение растительно­го материала газообразными или твер­дыми компонентами вредных веществ, которые поглощаются частями расте­ний, скапливаясь внутри или прилипая (некоторые компоненты, будучи не­опасными для растений или отдельных их органов, при дальнейшем использо­вании растительного материала могут оказаться токсичными); реакции в рас­тительном обмене веществ, проходящие в течение короткого времени (напри­мер, при высокой концентрации ингре­диентов-загрязнителей), они представ­ляют собой скрытое предварительное воздействие, которое в сочетании с дру­гими факторами среды усиливает нега­тивный эффект; структурные измене­ния внутри клеток.

К внешним, в той или иной степени выраженным изменениям относятся следующие: загрязнения (например, от сажи, летучей золы, цементной пыли, оксида железа и др.), особенно на шеро­ховатых, покрытых волосками, клейких или влажных частях растений; прилипа­ющая пассивная пыль (до образования корки при определенных условиях); прилипающая токсичная пыль, содер­жащая Pb, As или F; некроз, проявляю­щийся в изменении цвета или ожогах на листьях или других частях растений в результате воздействия SО2, HF, SiF4, SO3, HCl.

В сильно загрязненных районах у растений вырабатывется устойчивость к загрязнению О3, SO2, NO2. Характерно, что на таких территориях у коренных популяций луговых трав при воздей­ствии О3, SO2, NO2 не наблюдалось за­медления роста и снижения урожая по сравнению с популяциями из «чистых» районов. Обработка проростков сои SO2 в низких концентрациях заметно повы­шала их устойчивость к этому загрязни­телю. Сорта пшеницы, выведенные в начале XX века, оказались менее устой­чивы к SO2 и NO2 чем современные.

Характер физиологических и биохи­мических изменений в растениях в от­вет па загрязнение воздуха сходен с ха­рактером изменений в ответ на другие стрессы (высокие дозы пестицидов, за­соление, засуха). Стресс вызывает у рас­тений изменение активности фермен­тов; метаболиты начинают аккумулиро­ваться в молодых листьях и побегах. Техногенное воздействие на растения оксидов азота и серы стимулирует рост содержания в них абсцизовой кисло­ты — гормона покоя. В полевых услови­ях под влиянием абсцизовой кислоты повышаются засухоустойчивость, им­мунитет к болезням, происходит пере­распределение ассимилятов (усиливает­ся отток из стеблей в клубни, корнепло­ды и т. д.).

Загрязняющие вещества, с одной стороны, концентрируются непосред­ственно в тканях растений, а с другой - меняют условия среды их обитания. У многих растений наряду с морфострук-турными механизмами защиты от чуже­родных веществ существуют биохими­ческие механизмы детоксикации и окислительной деградации поглощен­ных токсикантов.

Установлена, например, способность высших растений по­глощать и утилизировать наиболее ток­сичные органические ингредиенты. Изучение и понимание этих механиз­мов весьма существенно для грамотной борьбы с химическим загрязнением воз­духа, водоемов и почвы.

Согласно литературным данным, приспособление растений к токсикан­там транспортно-промышленного про­исхождения осуществляется следующи­ми способами:

ксерофитизация, главным образом утолщение кутикулы, увеличение во­лосков и т. п., в результате чего умень­шаются скорость поступления токси­кантов и их количество;

физиологическая приспособляе­мость — усиление действия механизмов обеззараживания и аккумуляции токси­ческих веществ путем использования их в метаболизме либо удаление из орга­низма за счет большой катион-анион­ной емкости; данное направление явля­ется наиболее сложным и многовариан­тным;

естественный отбор; наиболее при­способленные к хемовариабельным ус­ловиям особи обеспечивают заполнение территории растениями.

В качестве интегральной характерис­тики состояния агроэкосистем целесо­образно использовать показатели эко­логического неблагополучия (табл. 5), соответствующие норме, риску, катаст­рофе и бедствию.

Норма (Н) — состояние системы, от­вечающее области ее равновесия, устой­чивости (обычно область наиболее ве­роятных состояний); риск (Р) — вероят­ность деградации окружающей среды

Таблица 5

Агроценотические показатели экологического неблагополучия

(Виноградов, 1998)

Показатель

Норма

Риск

Катастрофа

Бедствие

Снижение урожайности посевов, % от нормы <.80 > 80

Засоренность агроценозов, % площади <.80 > 80

Развитие вредителей в посевах, % площади <.50 > 50

Систематическая гибель посевов, % площади <5 5..> 30

Проектинное покрытие пастбищной расти - >.50 < 10

телыюсти, % от нормы

Урожайность кормовых угодий, % от нормы >.50 < 20

Перегрузка пастбищ, % от несущей способ - < 0...200 > 200

ности

Плотность рекреационной нагрузки, % <..40 >40

от нормы

КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ.

Загрязняющие факторы по физико-химическим параметрам подразделяют на механические, физические (энергети­ческие), химические и биологические. Механические источники загрязнения представлены инертными пылевыми ча­стицами в атмосфере, твердыми части­цами и разнообразными предметами в воде и почве. К химическим источникам загрязнения относятся газообразные, жидкие и твердые химические элементы и соединения, попадающие в атмосферу и взаимодействующие с компонентами окружающей природной среды. Физи­ческими (энергетическими) источника­ми загрязнения являются тепло, шум, вибрации, ультразвук, видимые, инфра­красные и ультрафиолетовые части спектра световой энергии, электромаг­нитные поля, ионизирующие излучения. Биологические загрязнения связаны с различными видами организмов, по-

Природные среды Атмосфера — атмосфера явившихся при участии человека и при­чиняющих вред ему самому или живой природе. Сравнительно недавно к заг­рязнениям начали относить нарушение природных ландшафтов и пейзажей, ур­банизацию и т. п.

Ф. Рам ад (1981), обращая внимание на то, что ни одна классификация заг­рязнений не может быть достаточно удовлетворительной из-за многочис­ленности критериев, по которым ее можно осуществлять, также выделяет физические, химические и биологичес­кие загрязнения и эстетический вред.

В свете современных представлений наиболее содержательной является классификация загрязнения экологи­ческих систем, основанная на систем­ном подходе (Стадницкий, Родионов, 1988) (рис. 8.1). Под ингредиентным загрязнением понимают совокупность веществ, количественно или качествен­но чуждых естественным биогеоцено­зам. Параметрическое загрязнение зак­лючается в изменении качественных па­раметров окружающей природной сре­ды. Биоценотическое загрязнение связано с воздействием на состав и структуру популяций живых организ­мов.

Стациально-деструкционное заг­рязнение представляет собой измене­ние ландшафтов и экологических сис­тем в процессе природопользования и определяется интенсивностью транс­формации естественных систем.

Рассматривая проблему загрязнения, нельзя не учитывать распространение их в природных средах. Перенос загрязнений, разумеется, возможен не только в одном направлении, как показа­но на рисунке, но и в противоположном.

Зная различные формы перехода заг­рязняющих веществ, можно оценивать вероятное распространение техногенных воздействий в окружающей природной среде. При этом важно учитывать основ­ные виды загрязнений и их источники:

Таблица,6

Миграции загрязняющих веществ между прирдными средами (Израэль, 1984)

Природные среды	Возможная форма перехода (миграции) загрязняющих веществ
1	2
Атмосфера — атмосфера	Перенос в атмосфере, характерный для большинства загрязняющих веществ
Атмосфера — гидросфера	Осаждение (вымывание) атмосферных загрязнений на водную поверхность
Атмосфера — поверхность суши	Осаждение (вымывание) атмосферных загрязнений на земную поверхность (на сушу)
Атмосфера — биота	Осаждение загрязнений на поверхность насаждений с последующей ассимиляцией (внекорневое поступление загрязнений в биоту)
Гидросфера — атмосфера	Испарения из воды в атмосферу (например, нефтепродуктов, соединении ртути)
Гидросфера — гидросфера	Перенос (распространение) загрязнений в водных системах
Гидросфера - поверхность суши (дно рек, озер)	Переход из воды в почву (фильтрация, «самоочищение», осаждение на дно водоемов)
Гидросфера — биота	Переход из поверхностных вод в биоту (наземные и водные экосисте­мы, поступление в организм животных и человека с питьевой водой)
1	2
Поверхность суши - атмо­сфера	Переход с поверхности суши, почвы в атмосферу (выветривание, ис­парение, перенос пыли)
Поверхность суши — гидро­сфера	Смыв загрязнений с суши во время снеготаяния, с осадками, времен­ными водотоками
Поверхность суши — повер­хность суши	Миграция в почве, ледниках, снежном покрове (проникновение заг­рязнений на разные глубины)
Поверхность суши — биота	Поступление загрязнений в растительность через корни
Биота — атмосфера	Испарения из биоты (малозначимые)
Биота — гидросфера	Попадание загрязнений из биоты в воду после гибели организмов
Биота — поверхность суши	Попадание загрязнений из биоты в почву, главным образом после ги­бели организма
Биота — биота	Миграция по пищевым цепям

Зная различные формы перехода заг­рязняющих веществ, можно оценивать вероятное распространение техногенных воздействий в окружающей природной среде. При этом важно учитывать основ­ные виды загрязнений и их источники:

Вид загрязнений	Отрасль промышленности, для которой характерен указанный вид загрязнений
Воздух
Галогенсодержащие соединения Металлические частицы Углеводороды СО2, SO2, NO, NO2	Химическая, холодильная Металлургическая, горнодобывающая Тепловая энергетика, транспорт Тоже
Почва
Активный ил Зола, шлак Металлы Мусор Пластмассы, органические вещества Радионуклиды Целлюлоза и бумага	Городские станции биологической очистки Энергетическая, металлургическая Металлургическая, химическая Коммунально-бытовое хозяйство, городское хозяйство Химическая АЭС, военная Целлюлозно-бумажная, коммунально-бытовое хозяйство
Вода
Взвешенные частицы Ионы тяжелых металлов Красители, фенолы Легкоусвояемые и биогенные вещества Лигнины Минеральные соли Нефтепродукты Органические растворители Пестициды Радиоактивные Синтетические поверхностно-активные вещества Тепло	Коммунально-бытовое хозяйство Горнодобывающая, машиностроительная Текстильная Сельское хозяйство, городское хозяйство Целлюлозно-бумажная Химическая Нефтедобывающая, нефтеперерабатывающая Химическая Сельское хозяйство АЭС, военная Городские стоки Энергетическая (АЭС, ТЭЦ, ГРЭС)

Рис. 2. Распространение загрязнений в природ­ных средах и биоте (Израэль, 1984)

Для характеристики различных не­благоприятных воздействий применяют стресс-индексы загрязняющих веществ, отражающие меру экологической опас­ности (табл. 6).

Таблица 6.

Стресс-индексы загрязняющих веществ

Загрязняющие факторы	Стресс-индекс
Пестициды	140
Тяжелые металлы	135
Транспортируемые отходы АЭС	120
Твердые токсичные отходы	120
Взвешенные металлы в металлургии	90
Неочищенные сточные воды	85
Диоксид серы	72
Разливы нефти	72
Химические удобрения	63
Органические бытовые отходы	48
Оксиды азота	42
Хранилища радиоактивных отходов	40
Городской мусор	40
Фотохимические оксиданты	18
Летучие углеводороды в воздухе	18
Городские шумы	15
Оксид углерода	12