Экология (стр. 7 )

Пустыни травянистая и кустарниковая (некоторые районы Африки, например Сахара, Ближнего Востока и Центральной Азии, Большой Бассейн и юго-запад США, север Мексики и др.). Климат очень сухой, с жарким днем и холодными ночами, осадков менее 200—250 мм в год. Растительность: ксерофитные травы и редкостойный кустарник, кактусы, множество эфемеров, быстро развивающихся после непродолжительных дождей. Корневые системы у растений обширные, поверхностные, перехватывающие влагу редких осадков или стержне­вые корни, проникающие в землю до уровня грунтовых вод (30 м и глубже). Животный мир: разнообразные грызуны, жабы, ящерицы, змеи

и другие пресмыкающиеся, совы, орлы, грифы, мелкие птицы и насекомые в большом количестве, верблюды. Почвы светло-бурые, сероземы, такыры.

Полувечнозеленые сезонные (листопадные) тропические леса (тропическая часть Азии, Центральная Америка). Климат со сменой сухого (4—6 месяцев) и влажного сезонов, среднегодовое количе­ство осадков 800—1300 мм в год. Растительность: господствуют леса. Доминируют деревья верхнего яруса, сбрасывающие листья в сухой сезон. Нижний ярус образуют в основном вечнозеленые дере­вья и кустарники. Из вечнозеленых деревьев этих экосистем наибо­лее известна пальма. Животный мир: практически так же богат, как в вечнозеленых тропических дождевых лесах. Почвы красные ферраллитные.

Вечнозеленые тропические дождевые леса (север Южной Америки, Центральная Америка, западная и центральная части экваториальной Африки, Юго-Восточная Азия, прибрежные районы северо-запада Австралии, острова Индийского и Тихого океанов). Климат без смены сезонов в связи с близостью к экватору, среднегодовая температура выше 17°С (обычно 28°С), среднегодовое количество осадков превышает 2000—2500 мм в год. Растительность: господствуют леса. Деревья разной высоты образуют густой полог из трех ярусов (верх­ний ярус, полог и нижний ярус). Кустарники и травянистая растительность практически отсутствуют. На стволах и ветвях деревьев развиваются растения-эпифиты, корни которых не достигают почвы, и дере­вянистые лианы, укореняющиеся в почве и взбирающиеся по деревь­ям до их вершин. Видовое разнообразие растений огромно. Животный мир: видовой состав богаче, чем во всех других биомах вместе взятых. Встречаются многочисленные экзотические насекомые с яркой окраской, земноводные (лягушки), пресмыкающиеся (ящерицы, змеи, черепахи), птицы (попугаи, павлины, кондор), млекопитающие (обезьяны, муравьеды, ягуары). Почвы красно-желтые ферраллитные — маломощные и бедные органическим веществом и минеральными элементами питания растений. Большая часть питательных веществ закреплена в биомассе растительности.

2.8.2 Пресноводные и морские экосистемы

Составляя весьма малую часть от всех экосистем биосферы (например, в любой отрезок времени в атмосфере воды содержится в 10 раз больше, чем во всех реках мира), пресноводные экосистемы для человека имеют непреходящее значение, вследствие того, что они практически единственный источник для бытовых и промышленных нужд. Пресные воды на поверхности континентов образуют реки, озера, болота, заполняют искусственные пруды и крупные водохранилища. Значит, пресные воды могут находиться в текучем, в относительно неподвижном стоячем и промежуточном состояниях.

Лимитирующие факторы водной среды — температура, прозрачность, течение, соленость и др. Многие водные животные — стенотермны — для них опасно даже небольшое тепловое загрязнение. Прозрачность — глубина зоны, в которой возможен фотосинтез при проникновении солнечного света. Течение влияет на распространение организмов и содержание газов и солей. Важнейшим лимитирующим фактором является концентрация кислорода. Лимитирующие из биогенных солей — нитраты и фосфаты. Разница в концентрации солей у гидробионта с окружающей водной средой может повышать или понижать давление жидкости в теле рыбы, и то и другое ведет к ее гибели. Поэтому пресноводные рыбы не могут жить в море, а морские — в пресноводном водоеме. Но есть рыбы со специальным механизмом осмотической регуляции, способные жить в обеих средах (лосось и др.)

Пищевые цепи в водоемах хорошо развиты и представлены организмами всех трофических уровней. Водные организмы, с экологических позиций, классифицируются по местообитанию в водоеме: бентос — организмы, живущие на дне; перифитон — прикрепленные к стеблям водных растений или к другим выступам над дном водоема. Планктон — организмы плавают в поверхностном слое воды; нектон — свободно перемещающиеся в воде организмы. Особое значение имеет распределение организмов по трем зонам водоема. 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. В проточных водоемах последние три зоны не выражены, хотя их элементы встречаются — перекаты и плесы. Лентические экосистемы. Озера — естественные пресноводные водоемы. 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. Известно, что наибольшую плотность, равную 1 г/см3, вода имеет при 4°С, а выше и ниже этой отметки плотность ее понижается. В весенний и осенний периоды, когда вода на поверхности водоема имеет температуру +4°С, происходит ее перемешивание, а в летний и зимний периоды — наступают стратификация водоема и периоды стагнации. Цветение фитопланктона приурочено к перемешиванию, когда в фотической (освещенной) зоне появляются воды, обогащенные биогенными компонентами. С точки зрения продуктивности озера подразделяются на две группы:

1) олиготрофные (малокормные);

2) эвтрофные (кормные).

Водохранилища создаются человеком при возведении гидроэнергетических и гидромелиоративных комплексов. Это уже не природная экосистема, а природно-техническая 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. Через глубоководные шлюзы в реку поступает и более соленая вода, а биогены вызывают эвтрофикацию участка реки. Лотические экосистемы — реки — отличаются от стоячих водоемов тремя основными 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. В больших реках наблюдается продольная зональность: в верховьях — сообщества перекатов, в низовьях — плесов, между ними местами возникают и те и другие. К низовьям видовой состав рыб обедняется, но увеличиваются их размеры. Заболоченные угодья и болота. Болота по своему происхождению бывают верховые и низинные. Низинные питаются подземными водами и образуются при зарастании озер, речных стариц и других водоемов, а верховые — атмосферными осадками и могут возникнуть в любом понижении, даже на склонах гор. Болота покрыты водными макрофитами, болотными растениями и кустарниками. Болотные почвы и торфяники содержат много углерода (14—20%). Их сельскохозяйственная обработка приводит к выделению в атмосферу большого количества углекислого газа.

Морская среда непрерывна и занимает более 70% поверхности планеты. Глубина океана огромна (до 11 км), но жизнь есть во всех его уголках и наиболее богата вблизи суши. Барьерами для передвижения животных являются температура, соленость, глубина, тем не менее, в океане отсутствуют абиотические зоны. Из-за постоянно действующих ветров — пассатов — в океанах и морях происходит постоянная циркуляция воды за счет мощных течений, что исключает дефицит кислорода в глубинах океана. Наиболее продуктивны в Мировом океане области апвеллинга. Апвеллинг — 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. Высокопродуктивны и богаты биогенами, за счет привноса их с суши воды эстуариев. Соленость в них колеблется по сезонам года, поэтому здесь живут эвригалинные организмы, в отличие от таковых в открытом океане (средняя соленость 35 г/л), которые являются стеногалинными.

Биогенные элементы — важный лимитирующий фактор в морской среде, где их содержится несколько частей на миллиард частей воды. Но эти элементы быстро перехватываются организмами, попадая в их трофические цепи, практически не достигнув гетеротрофной зоны (биологический круговорот). Значит, низкая концентрация биогенов еще не говорит об их всеобщем дефиците. Главным фактором, дифференцирующим морскую биоту, является глубина моря: материковый шельф резко сменяется материковым склоном, плавно переходящим в материковое подножие, которое опускается ниже к ровному ложу океана — абиссальной равнине. Этим морфологическим частям океана примерно соответствуют следующие зоны: неритическая — шельфу (с литоралью — приливно-отливной зоной), батиальная — материковому склону и его подножию; абиссальная — область океанических глубин от 2000 до 5000 м. Область открытого океана за пределами шельфа называют океанической. Все население океана, так же как и в пресноводных экосистемах, делится на планктон, нектон, бентос. Планктон и нектон, 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, эта зона достаточно тонкая и отделяется компенсационной зоной от значительно большой 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 (морские лилии). Все животные бентоса в своем жизненном цикле проходят пелагическую стадию в виде личинок. Область континентального шельфа, ограниченная глубиной моря до 200 м. Самая богатая фауной в океане. Очень богат кормом планктон за счет личинок бентосной фауны. Области апвеллинга расположены вдоль западных пустынных берегов континентов. Они богаты рыбой и птицами, живущими на островах. Но при изменении направления ветра приходит спад «цветения» планктона и наступает массовая гибель рыб вследствие развития бескислородных условий (эвтрофикация). Лиманы — это полузамкнутые прибрежные водоемы. Они представляют собой экотоны между пресноводными и морскими экосистемами. Лиманы высокопродуктивны, являются ловушками биогенных веществ. Океанические области — эвфотическая зона открытого океана, бедны биогенными элементами. Это воды «пустыни» по сравнению с прибрежными. Зоны Арктики и Антарктики много продуктивнее, так как плотность планктона растет при переходе к холодным морям и фауна рыб и китов здесь значительно богаче. Экосистемы глубоководных рифтовых зон океана находятся на глубине около 3000 м и более, в сплошной темноте, где невозможен фотосинтез, преобладает сероводородное загрязнение, есть выходы горячих подземных вод, высокие концентрации ядовитых металлов, и, тем не менее, здесь существует жизнь.

3 Прикладные аспекты экологии

3.1 Техногенное воздействие на биосферу

По отношению к человечеству биосфера Земли выполняет две важнейшие защитные функции:

- обеспечивает биопродуктивные процессы – снабжает людей биологически доступной энергией в виде пищи;

- создает благоприятные условия среды – температурный, газовый, водный режимы, к которым адаптирован вид ГОМО САПИЕНС.

Способность биосферы успешно реализовывать и длительно поддерживать этот механизм определяется ее устойчивостью. Пригодная для жизни устойчивая среда в биосфере может поддерживаться только при строго сбалансированных внутренних потоках энергии, вещества и информации. Нарушение этих системообразующих связей может вызвать нарушение структуры биосферы и повлечь за собой деградацию природной среды. В последние годы слишком интенсивное, резкое воздействие на природные компоненты, вызывают в биосфере побочные отрицательные эффекты.

Загрязнением биосферы (природной среды) называется любое внесение в экосистему несвойственных ей биотических и абиотических компонентов или структурных изменений, прерывающих потоки вещества и энергии, в результате чего экосистема разрушается и снижается ее продуктивность.

Под техногенными воздействиями понимают деятельность, связанную с реализацией экономических, военных, рекреационных, культурных и других интересов человека, вносящую физические, химические, биологические и другие изменения в природную среду. По своей природе, глубине и площади распространения, времени действия и характеру приложения они могут быть различными: целенаправленными и стихийными, прямыми и косвенными, длительными и кратковременными, точечными и площадными и т. д.

Антропогенные воздействия на биосферу по их экологическим последствиям разделяют на положительные и отрицательные (негативные).

К положительным воздействиям можно отнести воспроизводство природных ресурсов, восстановление запасов подземных вод, полезащитное лесоразведение, рекультивацию земель на месте разработок полезных ископаемых и др.

К отрицательным (негативным) воздействиям на биосферу относят все виды воздействий, создаваемых человеком и угнетающих природу. Небывалые по мощности и разнообразию негативные техногенные воздействия особенно резко стали проявляться во второй половине XX в. Под их влиянием естественная биота экосистем перестала служить гарантом устойчивости биосферы, как это наблюдалось ранее — в течение миллиардов лет.

Отрицательное (негативное) воздействие проявляется в самых разнообразных и масштабных акциях: исчерпании природных ресурсов, вырубке леса на больших площадях, засолении и опустынивании земель, сокращении численности и видов животных и растений и т. д. К числу основных глобальных факторов дестабилизации природной среды относятся:

• рост потребления природных ресурсов при их сокращении;

• рост населения планеты при сокращении пригодных для обитания территорий;

• деградация 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 координации действий мирового сообщества в области решения экологических проблем. Главнейшим и наиболее распространенным видом отрицательного воздействия человека на биосферу является загрязнение. Большинство острейших экологических ситуаций в мире, так или иначе, связаны с загрязнением окружающей природной среды (Чернобыль, кислотные дожди, опасные отходы и т. д.).

3.1.2 Классификация загрязнений окружающей среды

Загрязнением называют поступление в окружающую прир0ДНуЮ 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. 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.

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, учете отдают следующим, загрязняющим веществами;

- диоксиду серы (с учетом эффектов вымывания диоксида серы из атмосферы и попадания, образующихся серной кислоты и сульфатов на растительность, почвы и в водоемы);

- тяжелым металлам в первую очередь свинцы, 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 оксидами азота (в городах).

Этот перечень 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 и аварии на Чернобыльской АЭС. Следует упомянуть и диоксины – весьма опасное загрязняющее вещество из класса хлоруглеводородов.

Один из видов загрязнения является социально-деструкционное загрязнение, связанное с нарушением и преобразованием ландшафтов и экосистем в процессе природопользования (зарегулирование водотоков, урбанизация, вырубка лесных насаждений).

3.1.3 Виды загрязнений

Выделяют следующие виды загрязнения: химические, физические и биологические

К физическому относят тепловое, световое, шумовое, ультразвуковое и др. загрязнения.

Химическое загрязнение обусловлено миграциями химических элементов, большинство которых возвращается в природный круговорот в необычных, несвойственных биосфере формах. Особую опасность представляют искусственно созданные органические соединения (ксенобиотики).

По своему токсическому действию загрязняющие вещества делятся на:

Общесоматические (оксид углерода, соединения свинца, ртути, мышьяка, др.);

Раздражающие (сернистый ангидрид, аммиак, оксиды азота, озон, ацетон, др.);

Аллергеные (большинство красителей, лаки, и др.);

Канцерогенные (бенз(а)пирен, асбест, соединения никеля);

Мутагенные (соединения радия, урана, марганца, свинца).

Они могут находиться в газообразном, жидком и твердом состоянии, загрязняя атмосферу, почву, и гидросферу.

Под биологическим загрязнением понимают изменение видовой структуры, путем интродукции несвойственных для данного биоценоза видов (колорадский жук, моллюск рапана и др.).

Массовое размножение микроорганизмов на антропогенных субстратах или техногенно измененных средах носит название микробиологического загрязнения. Это загрязнение может не только явиться причиной заболеваний людей и домашних животных, но и вызвать усиленную коррозию металлов.

Под видами загрязнений понимают также любые нежелательные для экосистем антропогенные изменения (по и , 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 — изменения качественных параметров окружающей среды (тепловое, шумовое, радиационное, электромагнитное);

биоценотическое загрязнение вызывает нарушение состава и структуры популяций (перепромысел, намеренная интродукция и акклиматизация видов и т. д.);

социально-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.).

3.1.4 Источники загрязнения

Источники загрязнения могут быть природные (пыльные бури, вулканическая деятельность, селевые потоки и др.) и антропогенные.

Источниками антропогенного загрязнения, наиболее опасного для популяций любых организмов, являются промышленные предприятия (химические, металлургические, целлюлозно-бумажные, строительных материалов и др.), теплоэнергетика, транспорт, сельскохозяйственное производство и другие технологии.

Источники загрязнения биосферы могут быть естественными и техногенными. К естественным источникам относят вулканизм, водную и ветряную эрозию почвы, природные пожары и др.

Техногенные источники – это объекты хозяйственной деятельности (промышленные предприятия, транспорт, с/х, объекты энергетики).

Техногенное загрязнение по масштабам сопоставимо с естественным, а по токсичности – превышает его. В зависимости от масштабов загрязнение может быть глобальным, региональным и локальным, что в свою очередь определяется соотношением двух факторов – мощности источника загрязнения и свойств среды, в которую это загрязнение поступает.

В связи с тем, что все геооболочки взаимосвязаны вещественными потоками, загрязнение, как правило, не локализуется в какой-либо одной из них. В зависимости от характера вызываемых в природной бреде изменений загрязнения делятся на:

- физические – изменение физических параметров среды;

- химические - изменение химического состава среды;

- биологические - изменение видовой структуры биоценозов.

К особому классу загрязнений относят деструктивное загрязнение – непреднамеренное структурное изменение ландшафтов, вызванное хозяйственной деятельностью (добыча полезных ископаемых открытым способом, строительство дорог, лесозаготовки и др.).

3.1.5 Ареал загрязнения

Вокруг источника загрязнения (например, промышленного узла) формируется сфера влияния, размер которой зависит от многих факторов: объема промышленных выбросов, их химического состава, времени функционирования, характера почвенно-растительного покрова, рельефа, климата и др.

Проекция сферы влияния на поверхность земли определяет ареал воздействия (загрязнения), форма, которой в той или иной степени определяется рельефом и преимущественным направлением ветра в данной местности. При распространении воздействия на территорию с относительно однородными природными свойствами ареал воздействия должен иметь правильную эллиптическую форму.

Выявление ареала загрязнения возможно даже по одному из элементов ландшафта (например, по содержанию техногенных выбросов на 1км2 в снежном покрове во время его максимальной высоты или в почвах; по состоянию индикаторной растительности, видовому разнообразию беспозвоночных травостоя и т. п.).

Сфера воздействия технической системы на природную среду имеет сложное внутреннее строение и состоит из нескольких зон, выявляемых по степени изменения отдельных природных компонентов или структуры ландшафта в целом.

Наиболее удаленной от источника загрязнения является зона геохимического загрязнения. Она занимает, как правило, большую площадь (для крупных предприятий и городов – несколько тысяч квадратных километров) и характеризуется повышенным относительно фона содержанием загрязняющих веществ.

Однако, так как уровень общего загрязнения в этой зоне не превышает ассимиляционный потенциал ландшафта, природные комплексы обеспечивают процессы самоочищения.

Зона биотического воздействия выделяется по трансформации биотических компонентов ландшафта (снижению видового разнообразия за счет выпадения наиболее чувствительных к загрязнению видов).

Зона геоматического воздействия (или импактная зона, или техногенная пустошь) характеризуется сильным загрязнением и структурной перестройкой природных комплексов: растительный покров нарушен, активно протекают ветровая и водная эрозия почвы, заболачивание, карст, оврагообразование и др. разрушительные процессы. Эта зона окаймляет промузел. Она формируется либо при малой устойчивости ландшафта (горные районы, зоны вечной мерзлоты и т. п.), либо при большой силе воздействия (химические, горнометаллургические производства).

Рис. 3.1.5 - Схема внутреннего строения ареала влияния источника загрязнения: 1-источник загрязнения, 2-зона геоматического воздействия, 3-зона биотического воздействия, 4-зона геохимического воздействия.

3.2 Самоочищение биосферы

Нейтрализацию возмущающих воздействий (загрязнений) в биосфере и ее компонентах за счет механизмов саморегулирования природных экосистем принято называть самоочищением биосферы.

Сложный механизм самоочищения природной среды включает систему взаимосвязанных природных процессов:

· Механические (перемешивание, разбавление, оседание, перемешивание и др.);

· Химические (окисление, осаждение, нейтрализация, фотохимические процессы)

· Биохимические (разложение органических веществ микроорганизмами-деструкторами).

Важное место в механизме самоочищения биосферы занимают процессы, происходящие в атмосфере и гидросфере. Это обусловлено тем, что эти две геооболочки представляют собой сплошные подвижные среды, которые обеспечивают:

Кислород для дыхания, углекислый газ для фотосинтеза, воду для жизнедеятельности.

Стабильность и благоприятность для жизни климатических условий земли.

Геохимическую миграцию химических веществ в круговороте.

Быстрое распространение загрязняющих веществ на большие расстояния.

Активную химическую и биологическую трансформацию загрязняющих веществ.

3.3 Ассимиляционный потенциал биосферы

Количественно мерой устойчивости биосферы к техногенным нагрузкам может служить ассимиляционный потенциал – предельная количественная характеристика загрязнения, которое может быть нейтрализовано за счет механизмов саморегулирования экосистем на данной территории или в биосфере в целом. Если величина потока техногенного загрязнения не превышает ассимиляционный потенциал территории, то экосистемы легко справляется с переработкой загрязнения, и состояние природной среды не ухудшается. Если же поток техногенного загрязнения превосходит регуляторные возможности экосистем, то загрязнение накапливается в них, в результате чего на данной территории наблюдается прогрессирующее ухудшение состояния природной среды.