Петров_К_М_Биогеография_СПб_2001

Молодое поколение России отделяет не так много времени от периода первых пятилеток (30-е гг ) и послевоенного восстановления хозяйства (50-е гг ), когда в общественном сознании господствовало упоение индустриализацией. Клубы густого черного дыма над заводскими трубами или валящий деревья трактор воспринимались символами технического и социального прогресса. Всем памятны грандиозные работы по строительству мощных гидроэлектростанций на великих равнинных реках:

Где вчера качались лодки ` Заработали лебедки.

Где шумел речной тростник ` Разъезжает паровик.

Где вчера плескались рыбы ` Динамит взрывает глыбы.

С. Маршак. “Война с Днепром”

Научно-технический прогресс принес много положительного в жизнь людей: разум человека открыл новые виды энергии, улучшились условия труда и увеличилась его производительность в тяжелых и трудоемких отраслях добывающей промышленности (горнодобывающей, лесной, океаническом рыболовстве и др.), возросли темпы строительства, повысилась продуктивность сельского хозяйства, изобретены высокоэффективные технологии, появились новые материалы, медицинские препараты, уменьшилась детская смертность и выросла продолжительность жизни, возросла скорость получения и переработки информации и многое другое.

Значительная часть новых технологи- ческих решений последних десятилетий родилась в ходе фантастической по масштабам гонки вооружений. Однако сегодня угроза выживания для большинства государств связана не с агрессией потенциального противника, а с состоянием окружающей среды, быстро деградирующей под натиском человеческой деятельности.

Интенсивная хозяйственная деятельность человека со временем охватила как материки, так и океаны.

Наиболее остро разрушение биосферы проявляется в уничтожении лесной расти-

тельности и связанного с ней животного мира. За 300 лет, к началу 2000 г , площади лесных биомов в разных природных зонах Земли сократились на 30%. В то же время площадь, занятая культурной растительностью, увеличилась на 466%.

Антропогенные факторы загрязнения и разрушения природных ландшафтов можно объединить в следующие группы (по В. М. Котлякову и др., 1990):

` атмосферные: загрязнение атмосферы химическое, механическое, тепловое;

` водные: а) воды суши ` истощение, загрязнение поверхностных и подземных вод; б) воды Мирового океана ` загрязнение прибрежных вод и поверхностных вод

-пелагиали; ` почвенные ` эрозия, дефляция, дегу-

мификация, загрязнение, засоление, заболачивание, иссушение;

` геолого-геоморфологические - интенсификация неблагоприятных экзогенных процессов оврагообразования, селевых, оползневых, мерзлотных, абразии и аккумуляции в береговой зоне и т. п.;

` биотические: деградация растительного покрова, сведение лесов, дигрессия пастбищ, обеднение генофонда, снижение биоразнообразия, биогенная аккумуляция вредных веществ;

` комплексные (ландшафтные): нарушение генетической целостности и естественной структуры ландшафтов, уникальности и эстетической привлекательности памятников природы, потеря продуктивных земель, опустынивание и т. п.

Несмотря на усилия и огромные затраты, направленные на предотвращение отрицательных последствий антропогенного воздействия на природу, общий тренд неблагоприятных изменений сохраняется.

14.4. Антропогенное воздействие на атмосферу

Атмосфера ` это воздух, которым мы дышим. Загрязнение воздуха особенно резко проявляется в местах, где размещаются металлургические, химические и другие заводы, а также в городах, где источника-

ми загрязнения являются автотранспорт, ТЭЦ, промышленные предприятия и др. Особенно страдают города, над которыми циркуляция воздуха слабая, нет ветра. Здесь образуется тяжелая ядовитая смесь с туманом, сернистым и угарным газом, мельчайшими твердыми частицами, выброшенными из труб в результате неполного сгорания топлива. Англичане называют это явление смогом. Как правило, местные загрязнения атмосферы особенно остро переживаются населением. Во время смога резко возрастает число смертей среди людей, страдающих болезнями сердца и органов дыхания.

Наряду с местным загрязнением антропогенное воздействие на атмосферу может иметь крупные региональные и даже глобальные экологические последствия. Рассмотрим некоторых из них: неблагоприятное воздействие кислотных осадков, парникового эффекта, нарушения озонового экрана.

Кислотные осадки и их экологические последствия. Кислотными называют любые атмосферные осадки `дожди, туманы, снег, - кислотность которых выше нормальной. Кислотные свойства среды определяются ионами водорода . Чем больше концентрация водородных ионов в растворе, тем выше его кислотность. Для выражения концентрации ионов водорода используют единицы водородного показателя, или рН. Шкала рН: от 0 (крайне высокая кислотность) через 7 (нейтральная среда) до 14 (крайне сильная щелочность).

Химический анализ кислотных осадков показывает присутствие серной (Н2SO4) и азотной (HNO3) кислот. Наличие серы и азота означает, что проблема связана с выбросами в воздух именно этих элементов. Сжигание топлива при работе угольных ТЭЦ, промышленных предприятий, автомобильного транспорта сопровождается образованием диоксида серы и оксидов азота; реагируя с парами воды, они образуют серную и азотную кислоты. В результате в отдельных регионах выпадают осадки, кислотность которых в 10 `1000 раз превышает нормальную.

Значение рН среды чрезвычайно важно с экологической точки зрения, так как от него зависит деятельность практически всех ферментов, гормонов в организме, регулирующих обмен веществ, рост и развитие. Особенно чувствительны к повышению кислотности обитатели водоемов. В пресноводных озерах, ручьях и прудах рН воды обычно составляет 6`7, и организмы адаптированы именно к этому уровню. Когда среда подкислена, яйцеклетки, сперма и молодь водных обитателей погибают. Ущерб не ограничивается гибелью водных организмов. Многие пищевые цепи, охватывающие почти всех диких животных, начинаются в водоемах. Прежде всего, сокращается популяция птиц, питающихся рыбой или насекомыми, личинки которых развиваются в воде.

Кислотные осадки вызывают деградацию лесов. Попадая на листья и хвою деревьев, кислоты нарушают защитный восковой покров, делая растения более уязвимыми для насекомых, грибов и других патогенных организмов. Леса поражаются на- секомыми-вредителями и болезнями. Во время засух через поврежденные листья испаряется больше влаги (рис. 14.8).

Рис. 14.8. Хвойный лес, погибший в результате воздействия кислотных дождей

Воздействуя на почву, кислотные осадки значительно увеличивают выщелачивание биогенов. При низких рН уменьшается активность редуцентов и азотфиксаторов, что еще сильнее обостряет дефицит питательных веществ: почвы теряют плодородие. Дополнительный ущерб возникает в связи с тем, что кислотные осадки, проса-

чиваясь сквозь почву, способны выщелачи- вать алюминий и тяжелые металлы. Обыч- но присутствие этих элементов в почве не создает проблем, так как они связаны в нерастворимые соединения и, следовательно, не поглощаются организмами. Однако в кислой среде их соединения растворяются, становятся доступными и оказывают сильное токсическое воздействие как на растения, так и на животных.

В разных районах последствия выпадения одинакового количества кислотных осадков могут быть различными. Одни ландшафты остаются практически без изменений, тогда как другие подкисляются настолько, что становятся необитаемыми. Ключ к ответу связан с понятием буферной емкости почвы. Защитить экосистему от изменений рН может буфер. Так называется вещество, способное поглощать ионы водорода при данном значении рН. Когда в систему, содержащую буфер, добавляют кислоту, дополнительные ионы водорода им поглощаются и рН остается практически неизменным. В качестве буфера многие природные системы содержат карбонат кальция (СаСО3). Реакция ионов водорода с карбонат-ионами дает воду и углекислый газ. При одинаковом количестве кислотных осадков в первую очередь подкисляются и гибнут экосистемы с низкой буферной емкостью. Почвы, сформированные на известняках, обладают большой буферной емкостью и меньше страдают от кислотных осадков. В сельском хозяйстве издавна используется известкование почв как агротехнический прием, направленный на нейтрализацию кислых почв.

Парниковый эффект и его экологи- ческие последствя. Около 70 % солнечной радиации, падающей на Землю, поглощается поверхностью суши и океана, преобразуется в теплоту и излучается обратно в космос в виде длинноволнового инфракрасного излучения. При этом чистая атмосфера, основные газы которой азот и кислород, прозрачна для инфракрасных лучей, а атмосфера, содержащая пары воды, диоксид углерода (СО2) и некоторые другие газы, поглощает тепловое излучение, благодаря

чему воздух нагревается. Это явление носит название парникового эффекта. Несмотря на то, что концентрация парниковых газов в атмосфере ничтожно мала, они задерживают тепло подобно тому как это происходит под стеклянным покрытием в парнике (рис. 14.9).

Рис. 14.9. Парниковый эффект:

Парник нагревается на солнце, так как световая энергия, проникающая внутрь через стекло, поглощается и превращается в тепловую, т. е. в инфракрасное излучение, не проходящее через стекло. Когда теплота таким образом улавливается, температура поднимается. Аналогично нагревается атмосфера Земли (б): свет сквозь нее проникает, а инфракрасное излучение поглощается парниковыми газами. Чем выше концентрация этих газов, тем сильнее нагревается атмосфера

Современный естественный парниковый эффект создает прирост средней температуры Земли на 30 îC. Это значит, что если бы парникового эффекта не было, то средняя температура Земли, составляющая сейчас 15 îC, понизилась бы до -15 îC. Всю Землю сковало бы льдом. И, наоборот, если содержание газов, вызывающих парниковый эффект, увеличится ` на Земле станет еще теплее.

стратосферу. Там они могут разлагаться, высвобождая атомарный хлор, который разрушает озон. В 1979 г спутниковые наблюдения обнаружили “дыру” в озоновом экране над Южным полюсом (рис. 14.11).

Исследования стратосферы над Арктикой показали, что и тут содержание озона может резко сократиться. Таким образом, если выбросы фреонов будут продолжаться, можно ожидать расширения озоновых дыр над полюсами. Международное сообщество, озабоченное этой тенденцией, уже ввело ограничения на выбросы фреонов Венской конвенцией об охране озонового слоя (1985).

14.5. Энергетический кризис

ная революция началась с того момента, как человек научился использовать энергию ископаемого топлива. Ее началом можно считать 1830-е гг ` период строительства

Человечество обязано своим могуществом способности творчески мыслить и умению поставить себе на службу энергетический потенциал природы. Промышлен-

Рис. 14.12. Эволюция техносферы, по Р К. Баландину:

А – мощность; I – человек; II – рабочий скот; III – водяное колесо; IV – турбина; V – ракета

железных дорог в Англии. Примерно через 150 лет на смену промышленной пришла научно-техническая революция. Начался стремительный экономический рост, сопровождавшийся столь же быстрым ростом потребления энергии (рис. 14.12 ).

Современное энергопотребление человечества составляет около 1013 Вт в год и основано на невозобновимых запасах ископаемого топлива: каменного угля, нефти, газа. Оно примерно на порядок превышает доступную для использования человеком мощность возобновимых источников энергии - солнечную, ветровую, геотермальную, приливную, гидромощность рек, прирост древесины и др. (Горшков, 1980, 1990). За счет минерального топлива во всем мире вырабатывается около 95 % энергии. Поэтому энергетические проблемы человече- ства напрямую зависят от топливно-энер- гетического потенциала Земли. Несмотря на огромные запасы ископаемого топлива и энергосберегающие технологии, рано или поздно они будут исчерпаны. Однако, по оценке В. Г. Горшкова, надвигающийся энергетический кризис заключается, скорее, не в недостатке энергии, а в том, что растущий антропогенный вклад в энергетику биосферы грозит ее устойчивости.

Энергетический эквивалент чистой первичной продукции растений, получаемой за счет лучистой энергии Солнца, равна 1014 Вт в год. В естественных экосистемах первичная продукция в основном перерабатывается гетеротрофными организмами (часть органики захоранивается в осадочных горных породах), что обеспечивает замыкание биотического круговорота `необходимое условие устойчивого функционирования биосферы. В экосистемах суши около 90 % продукции растительности потребляется редуцентами ` бактериями и грибами-сапрофагами; около 10 % продукции растительности потребляется червями, моллюсками и членистоногими.

Рис. 14.13. Изменение соотношений между человеком и биосферой в результате развития сельскохозяйственного производства, по Ф. Рамад:

а – биомасса людей в доагрокультурную эпоху; б – биомасса людей значительно выросла благодаря сельскохозяйственному производству, интенсивность которого растет пропорционально затраченной энергии

Все позвоночные животные, включая человека, потребляют не более 1 % продукции растительности (Уиттекер, 1980). При таком соотношении экосистемы устойчивы. В современной биосфере в антропогенный канал, образуемый людьми и домашними животными, по расчетам В. Г Горшкова, поступает около 25 % всей первичной продукции растений. Двадцатипятикратное увели- чение потребляемой человечеством первич-

ной продукции происходит уже не только

благодаря энергии Солнца, но в основном за счет дополнительных источников энергии (рис. 14.13).

Чтобы обеспечить замкнутость биоти- ческого круговорота в природно-хозяй- ственных системах, для поддержания современного антропогенного потребления людям необходимо сконструировать аналог естественных экосистем с мощностью порядка 1015 Вт. Дополнительное энергопотребление в таких масштабах, считает В. Г. Горшков, даже при наличии неограниченных запасов источников энергии (типа термоядерной энергии) разрушит стабильность климата Земли.

Глава 15

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫ ПРИРОДЫ

Æизнь человека, общества, существование цивилизации на планете неразрывно связаны с природными условиями. Успехи науч- но-технической революции, бурным развитием которой ознаменовалась вторая половина XX века, лишь на короткий период были восприняты с оптимизмом как свидетельство торжества человеческого разума, как предпосылка к будущему благоденствию на основе покорения природы. Очень скоро пришло разочарование: загрязнение окружающей среды, истощение природных ресурсов, неконтролируемый рост населения ясно обозначили угрозу надвигающегося глобального экологического кризиса.

Под влиянием повелительной необходимости жить с природой в гармонии и согласии человечество вынуждено отбросить призывы к покорению природы. Осознание безнравственности подобных лозунгов только теперь входит в структуру нового экологического мышления.

Â1992 ã. â Рио-де-Жанейро на уровне глав государств и правительств проходила Конференция ООН по окружающей среде

èразвитию, которая констатировала невозможность движения развивающихся бедных стран по пути, которым пришли к своему благополучию развитые богатые страны. Признано, что эта модель ведет к катастрофе: Земля не выдержит столь мощного потребления ее ресурсов и загрязнения окружающей среды.

Âсвязи с этим провозглашена необходимость перехода мирового сообщества на рельсы устойчивого развития (sustainable development). Заметим, что широко вошедшее в обиход понятие “устойчивое развитие” – весьма неточный перевод англоязычного термина sustain – поддерживать, подкреплять; так что более точно sustainable development переводится как поддерживающее или сбалансированное развитие. Однако учитывая, что в русскоязычной литературе уже укоренилось понятие “устойчи-

вое развитие”, будем продолжать пользоваться именно этим термином. Международной комиссией по окружающей среде и развитию в 1987 г. дано следующее определение:

Устойчивое развитие – это развитие, которое удовлетворяет потребности настоящего времени, но не ставит под угрозу способность будущих поколений удовлетворять свои собственные потребности.

15.1. Изменение мировоззренческой стратегии человечества

Особенности экологической ситуации, в которую постепенно втягивается челове- чество, начали привлекать внимание широкой общественности в конце 60-х гг. ХХ столетия. В популяризации этих проблем большую роль сыграл так называемый Римский клуб – группа бизнесменов, юристов, ученых, объединенных общим интересом к перспективам развития человеческого общества, проблемам, порождаемым неконтролируемым ростом населения, разрушением биосферы и непрерывным уменьшением природных ресурсов. Начало исследованиям было положено работой Дж. Форрестера “Мировая динамика”. Затем последовала целая серия публикаций, среди которых наибольшую известность получили работы “Пределы роста” и “За пределами роста”, выполненные под руководством Д. Медоуза (Meadows etc., 1972, 1992). Они превратили глобальную экологию в одну из самых популярных научных проблем.

Компьютерный анализ мировых трендов (рис. 15.1) показал, что при сохранении современных тенденций развития общества какое-то время еще будут продолжаться рост численности населения, промышленности и производства продуктов питания, а также будут возрастать загрязнение окружающей среды и сокращаться природные ресурсы (рис. 15.1а). Это типичная ситуация развития популяции, когда источники благоприятных для жизни условий ограни- чены. На рис. 15.2 изображена гипотетическая картина роста народонаселения (силуэт человека) на фоне сокращающихся ре-

сурсов биосферы (силуэт дерева) и производства сельскохозяйственных продуктов (колос пшеницы). Уже в наши дни биосфера и сельское хозяйство не в состоянии обеспечить продуктами питания все население: каждый четвертый житель планеты голодает. Понятно, что ситуация, при которой народонаселение в несколько раз будет превосходить ресурсы биосферы, – невозможна.

Если человечество не остановит быстрый рост рождаемости, природа сделает это решительно и жестко. Вслед за демографическим взрывом неизбежно наступит коллапс: народонаселение резко сократится вследствие того, что ресурсы будут ис- черпаны, а среда загрязнена. Затем начнет-

ся постепенный процесс восстановления возобновимых природных ресурсов и самоочищения окружающей среды; численность населения стабилизируется на более низком уровне. Ученые говорят о “золотых четырех миллиардах” – количестве жителей, при котором возможно управляемое взаимодействие общества и природы.

Переход на рельсы устойчивого развития невозможен в условиях дальнейшего увеличения численности людей и роста потребления; вместе с тем человечество не хоте-

ло бы отказываться и от достигнутого качества жизни. Выход трендов на плато возможен только при уменьшении численности и нулевом приросте населения, применении ресурсо- и энергосберегающих чистых технологий(рис. 15.1б). Однако сокращение невозоб-

новимых природных ресурсов будет продолжаться, что грозит грядущим обострением ситуации.

15.2. Причина кризиса – противоречия во взаимоотношениях общества и природы

Одной из причин нарастающего экологического кризиса является укоренившееся в сознании людей потребительское отношение к природе. Человек с момента появления на Земле привык непрерывно брать ее ресурсы. Не одно тысячелетие он вырубал лес, охотился на диких зверей, ис-

пользовал плодородие почв, ловил рыбу, расходовал чистую пресную воду. Сама природа восстанавливала нарушенное в экосистемах равновесие, и это породило представление о безграничности земных ресурсов, о возможности брать их у природы, ничего ей не возвращая.

Экологические проблемы человечества имеют своими истоками различия в процессах, совершающихся в природных и соци- ально-экономических системах. Для естественного ландшафта характерны процессы самоуправления, ведущие к устойчивости (гомеостазу) экосистемы – сохранению внутренних и внешних связей, обеспечивающих ее устойчивость. Гомеостаз природных систем поддерживается, с одной стороны, в результате постоянных контактов с внешней средой, из которой система черпает энергию и вещество для своего функционирования. Это первый блок управления, отвечающий за устойчивость системы в условиях разнообразных внешних воздействий.

С другой стороны, гомеостаз системы поддерживается благодаря внутренним процессам функционирования, осуществляющимся в виде круговоротов вещества при примерно постоянных энергетических затратах, преимущественно за счет рассеянных источников энергии. Это второй блок управления, отвечающий за внутреннюю целостность системы. Оба блока управления – внешний и внутренний – находятся “в руках” живых организмов.

В техногенных системах – городах, промышленных предприятиях – массоэнергообмен резко отличается от процессов, протекающих в природе. Ресурсные циклы производства и потребления открыты. Поток вещества и энергии через производственную систему почти не имеет обратной положительной связи. На входе – это все возрастающее потребление ресурсов и энергии, ведущее к деградации природных систем; на выходе – огромное количество отходов и отбросов, поступающих в окружающую среду, что является главной причи- ной ее загрязнения.

Энтропия техногенных систем имеет тенденцию к росту: возникают аварии, нарушаются связи управления, усиливается хаос (рис. 15.3Б).

Коренное отличие природных систем от техногенных заключается в их способности к самоорганизации и саморазвитию; мера неупорядоченности – энтропия – в природных системах естественным образом уменьшается (рис. 15.3А).

Рис. 15.3. Применение второго закона термодинамики к оценке состояния техногенных и природных систем, по Р. К. Баландину:

1 – возрастание энтропии в техногенных системах (часы); 2 – ритмичное изменение энтропии, характерное для обычных часов: когда часы заводят, энтропия уменьшается; в целом – повышение энтропии в результате трения деталей, износа механизма; 3 – уменьшение энтропии в природных системах (античасы); 4 – ритмичное изменение энтропии с общим ее уменьшением, идет как бы обновление старых часов

Для поддержания этих систем в рабо- чем состоянии, как показывает исторический опыт, требуются все увеличивающиеся энергетические затраты, причем энергия нужна преимущественно в высококонцентрированном виде. Рост производства, увеличение населения городов (урбанизация) ведут к обострению экологических проблем. Сравнение основных процессов, протекающих в биосфере и в обществе, представлено в таблице.

щивание какой-либо величины во времени, называется экспонентой. Современная эпоха развития человеческого общества характеризуется тенденцией к экспоненциальному (взрывному) росту численности населения, потребления энергии, ресурсов, продуктов питания и т. п.

Отрицательные обратные связи, усиливающиеся по мере воздействия человека на окружающую среду, служат причиной ограничения роста населения и производства.

Рассмотрим упрощенную модель взаимодействия общества и природы (рис. 15.4). Население (А), промышленное

èсельскохозяйственное производство (Б) имеют положительные связи. Население – это трудовые ресурсы, необходимые для роста промышленности и сельского хозяйства; промышленность обеспечивает человека материальными благами и содействует интенсификации сельского хозяйства; сельское хозяйство дает продукты питания

èсырье для промышленности.

Положительные связи блока А и Б являются причиной быстрого безудержного роста как населения, так и промышленности и сельского хозяйства. В математике кривая, отражающая ускоряющееся нара-

Рис. 15.4. Обобщенная модель взаимодействия общества и природы