Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экология. Учебное пособие-4
.pdf
19
Последовательная смена одних сообществ организмов другими,
происходящая в нарушенном местообитании, называется экологической
сукцессией («successio» — преемственность, лат.), а достигаемая в
экосистеме в конечном счёте растительная формация — экологическим
климаксом.
При устойчивом развитии экосистемы сукцессия заканчивается
формированием устойчивой стадии сообщества, называемой климаксом.
Например, сукцессия зарастающего мелководного озера заканчивается
устойчивой болотной стадией.
Различают две разновидности сукцессии.
Появление и развитие растительных сообществ во вновь образовавшихся местообитаниях, в которых прежде растений не было (на песчаных
дюнах, на застывших потоках лавы, породах, обнажившихся в результате
эрозии или отступления льдов и т. д.), называют первичной сукцессией.
Восстановление естественной растительности в какой-либо местности после серьёзного разрушения (пожар, вспашка целины, извержение
вулкана и т. д.) называют вторичной сукцессией.
В процессе сукцессии сначала появляются виды с высокой скоростью размножения и роста, которые имеют больше шансов выжить на
ранних стадиях развития экосистем. Они создают благоприятные условия для развития других популяций. Это так называемые ремонтные
виды, которые, по сути, и определяют сукцессионные изменения. К
ремонтным видам хвойных лесов относятся, например, берёза, ольха,
осина, ягодные растения, съедобные грибы и большинство животных,
питающихся этими видами.
Особенностью ремонтных видов является их способность изменять
концентрацию питательных веществ окружающей среды в неблагоприятную для себя, но благоприятную для следующей ремонтной группы сторону. Именно поэтому и происходит сукцессионное вытеснение действующего на данный момент ремонтного сообщества следующим ремонтным сообществом, приходящим на оптимальные для себя условия,
чтобы со временем уступить место новой доминирующей группе.
На последней, завершающей стадии сукцессии локальная концентрация биогенов в окружающей среде достигает значений, благоприятных для климаксных и неблагоприятных для всех ремонтных видов. И,
таким образом, нарушенное сообщество возвращается к своему первоначальному устойчивому состоянию.
Климаксные виды обретают максимальную конкурентоспособность,
образуя устойчивую популяцию, которая способна поддерживать этот
выгодный для себя режим неопределенно долгое время.
20
2.5.2. Устойчивость и помехи в экосистемах
Одним из свойств природных экосистем является их автономность,
то есть способность существовать самостоятельно длительное время без
изменения их строения и свойств.
Стабильность - это способность экосистемы сохранять свои
функции, структуру и свойства под действием изменяющихся внешних
факторов.
Устойчивость — это свойство динамической системы возвращать-
ся в исходное состояние после того, как она была выведена из состояния
равновесия. К классу динамических систем принадлежат и экосистемы.
В качестве внешних возмущающих воздействий для экосистем могут выступать, например, лесные пожары, извержения вулканов, техногенные катастрофы, промышленные выбросы, сбросы, браконьеры и т.п.
Для поддержания устойчивости системы необходима сбалансированность потоков веществ и энергии, процессов обмена веществ между
организмами и окружающей их средой.
Конечно, ни одна экосистема не бывает абсолютно стабильной, неподвижной: численность одних видов может увеличиваться, а других
уменьшаться. Подобные процессы имеют более или менее правильную
периодичность и в целом не выводят систему из равновесия.
Состояние подвижно-стабильного (динамического) равновесия экосистемы носит название гомеостаза – важнейшего условия существования любой экосистемы.
Все экосистемы, даже самая крупная – биосфера, являются открытыми системами: они должны получать и отдавать энергию, быть открытыми для потоков веществ, для иммиграции и эмиграции организмов.
Это является необходимым условием поддержания состояния гомеостаза.
С точки зрения кибернетики (науки об общих принципах
управления) гомеостаз обеспечивается действием отрицательных
обратных связей. Например, волки, являясь хищниками, поедают
оленей — жертву. Если численность оленей по тем или иным причинам
растёт, то волки, питающиеся только этой жертвой, тоже имеют
возможность увеличить свою численность. Так проявляется действие
положительной обратной связи. Но поскольку волки питаются
оленями, то они тем самым снижают численность последних. В этом
проявляется действие отрицательной обратной связи. Если же
численность волков окажется выше некоторого предела, то
интенсивность уничтожения популяции оленя может поставить
популяцию волка перед необходимостью снизить свою численность в
связи с возникновением проблем с добычей необходимого количества
пищи.
21
Экологические помехи, действующие на экосистемы, делятся на не-
разрушающие (обратимые воздействия) и разрушающие (необратимые
воздействия). Например, ограниченный отстрел животных или вылов
рыбы — помехи неразрушающие, так как они оказывают лишь количественное влияние на трофические цепи, не разрушая трофической сети в
целом. К полной деградации экологической системы частичные помехи
не приводят.
Но длительное действие выбросов, например, оксидов серы, азота,
углеводородов ведёт к разрушению экосистем в целом, так как в этом
случае уничтожается первичный трофический уровень. Вырубка леса или
распашка целины полностью ликвидируют экосистемы и приводят к созданию на их месте новых.
Разрушение экосистемы вовсе не означает полной её гибели. Разрушается лишь её состояние устойчивого равновесия, имевшее место до
разрушающего воздействия на неё, т. е. экосистема, перерождаясь, находит новое состояние устойчивого равновесия.
Экологические системы тем стабильнее во времени и пространстве,
чем они сложнее. Или, иначе, стабильность экосистемы определяется
числом связей между видами в трофической (пищевой) сети. При этом
следует иметь в виду, что ни одна экосистема не бывает абсолютно стабильной.
2.6. Основные системные законы, правила, принципы экологии
В экологии сформулированы и используются различные законы,
правила и принципы.
Ниже приведены уже в основном устоявшиеся формулировки основных законов, правил и принципов, которые в краткой форме отража-
ют сказанное выше в данном разделе.
Закон Эшби: чем экосистема разнообразнее, тем она устойчивее. Из
этого закона вытекает важный вывод: многообразие биосферы — это
основа ее устойчивости.
Закон минимума (закон ограничивающего фактора) (Ю. Либих) –
биотический потенциал (жизнеспособность, продуктивность организма,
популяции, вида) лимитируется тем из факторов среды, который находится в минимуме, даже если все остальные условия благоприятны.
Закон толерантности (В. Шелфорд, 1913 г.) («tolerantia» – терпе-
ние, лат.) – фактором, лимитирующим (огранчивающим) процветание
организма (вида), может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному экологическому фак-
тору.«Плохо как недокормить, так и перекормить».
Закон (принцип) конкурентного исключения, или правило (теорема) Гаузе (Г.Ф. Гаузе, 1934 г.) – два вида живых существ не могут оби-
22
тать в одном и том же месте, если их экологические потребности идентичны, т. е. если они занимают одну и ту же экологическую нишу. При
полном перекрывании экологических ниш один вид быстро вытесняет
другой.
Правило десяти процентов (правило пирамиды энергий Р. Линдемана) (Р. Линдеман, 1942 г.) – с одного трофического уровня экологи-
ческой пирамиды на другой, более высокий ее уровень по «лестнице» продуцент – консументы передается в среднем 10 % поступившей
на предыдущий уровень энергии (или вещества в энергетическом выражении) и это, как правило, не ведет к неблагоприятным последствиям
для экосистемы и теряющего энергию трофического уровня.
Принцип Ле Шателье-Брауна (принцип противодействия) – при
внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого
равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором
эффект внешнего воздействия ослабляется. На биологическом уровне он
реализуется в виде способности систем к саморегуляции.
Принцип сукцессионного замещения – сообщества организмов
формируют ряд закономерно сменяющих друг друга экосистем, ведущий
к наиболее устойчивой в данных условиях климаксовой природной системе.
«Законы Коммонера» (Б. Коммонер, 1974 г.), сформулированные в
виде афоризмов:
1. Всё связано со всем — этот закон единства (целостности) отра-
жает наличие сложнейших связей между явлениями в экологических
системах. Система - это совокупность взаимосвязанных составляющих,
объединенных прямыми или обратными связями в некоторое единство.
Вред, наносимый одному компоненту системы, может привести к сбоям в
функционировании всей экосистемы.
2. Всё должно куда-то деваться — закон сохранения массы веще-
ства является и одним из важнейших требований рационального природопользования. Он позволяет по-новому рассматривать проблему отходов производства в обществе.
3. Природа знает лучше — закон имеет двойной смысл: одновре-
менно призыв сблизиться с природой и призыв крайне осторожно обращаться с природными системами. Правила такого «знания» выработаны
на протяжении миллиардов лет при бесчисленном отборе, методом проб
и ошибок, в подгонке каждого вещества к комплексу условий существования, к огромному множеству других веществ и форм.
4. Ничто не даётся даром (за все надо платить) —
любое новое приобретение в эволюции системы обязательно сопровождается утратой какой-то части прежнего достояния и возникновением новых, все более сложных форм системы. Например, постепенное за-
23
грязнение среды на определенном этапе может привести к коренным качественным ее изменениям. При этом природная среда превратится в
зону, опасную для здоровья человека.
3. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
3.1. Виды загрязнений
Появление в природной среде новых компонентов или состояний,
вызванное деятельностью человека или какими-либо природными
явлениями (например, вулканической деятельностью), характеризуют
термином загрязненность.
Загрязнение окружающей среды - это внесение в ту или иную
экологическую систему (биогеоценоз) не свойственных ей живых или
неживых компонентов, физических или структурных изменений,
прерывающих или нарушающих процессы круговорота и обмена веществ,
потоки энергии и информации с непременными последствиями в форме
снижения продуктивности или разрушения данной экосистемы.
С позиций кибернетики загрязнение - это комплекс возмущений
(помех) в экосистемах, которые воздействуют на потоки энергии и
информации в пищевых (энергетических) цепях и могут привести к
утрате экосистемами способности поддерживать устойчивое
динамическое равновесие (гомеостаз) в изменяющихся условиях среды.
Различают природные и антропогенные источники загрязнения.
Природное загрязнение связано с деятельностью вулканов, лесными
пожарами, селевыми потоками, выходом полиметаллических руд на
поверхность земли; выделением газов из недр земли, деятельностью
микроорганизмов, растений, животных.
Антропогенное загрязнение связано с хозяйственной деятельностью
человека.
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.
Этот процесс нельзя назвать ни отрицательным, ни положительным,
наблюдать можно и те, и другие результаты антропогенного воздействия.
Подавляющая часть антропогенных воздействий носит
целенаправленный характер, т.е. осуществляется человеком сознательно
во имя достижения конкретных целей.
Существуют и стихийные, непроизвольные антропогенные
воздействия, имеющие негативные последействия. К этой категории
воздействий относятся, например, процессы подтопления территории,
возникающие после ее застройки, и др.
24
Практически все виды хозяйственной деятельности влекут за собой
те или иные формы загрязнения природной среды.
Среди антропогенных загрязнений выделяют:
• механические — оказывают механическое воздействие на среду
без изменения её физико-химических параметров (строительный мусор,
бутылки ПЭТ и т.п.);
• химические — изменяют естественные химические свойства
окружающей среды путем проникновения в среду или изъятия из среды
каких-либо веществ в концентрациях, превышающих некоторый
предельно допустимый уровень;
• физические - изменение физических параметров среды, которые,
в свою очередь, делятся на тепловые; световые; шумовые;
электромагнитные; радиационные;
• биологические — проникновение в экосистемы и
технологические процессы видов животных и растений, чуждых данным
сообществам и процессам, а также случайное или неслучайное
расселение или уничтожение некоторых видов организмов.
Перечисленные виды загрязнений взаимосвязаны, и каждый из них
может явиться толчком для возникновения других видов загрязнения:
например, химическое загрязнение атмосферы может способствовать
повышению вирусной активности, а следовательно, биологическому
загрязнению.
По влиянию на окружающую среду различают два основных типа
загрязнений: стойкие (неразлагающиеся) и нестойкие (разлагающиеся).
Стойкие загрязнения — вещества и яды, например такие, как
алюминиевые, стеклянные изделия, пластики, соли ртути, фенольные
соединения и т. п., которые в естественной среде либо вовсе не
разрушаются, либо разрушаются очень медленно.
Единственным способом «очистки» от таких загрязнителей является
их изъятие из окружающей среды, что сопряжено с большими расходами.
Нестойкие загрязнители — это загрязнители, разрушаемые биологическими процессами, например такие, как сточные бытовые воды,
которые сравнительно легко разлагаются естественным образом или на
станциях по очистке сточных вод, на которых естественные процессы
разложения и восстановления усиливаются.
Чаще всего загрязнением считают лишь поступление, привнесение в
среду, нахождение в ней различных агентов. Однако уменьшение
количества какого-либо компонента в окружающей среде (например,
кислорода в атмосферном воздухе) также негативно отражается на
человеке и других биологических объектах и, следовательно, должно
квалифицироваться как загрязнение.
25
Объектами антропогенного загрязнения являются атмосферный
воздух, поверхностные и подземные воды, почвы.
Косвенными объектами загрязнения являются составляющие
биоценоза — растения, животные, микроорганизмы.
Источниками антропогенного загрязнения, наиболее опасного
для популяций любых организмов, в т.ч. человека, являются
промышленные предприятия (химические, металлургические,
целлюлозно-бумажные, строительных материалов и др.), топливноэнергетический комплекс (ТЭК), транспорт, сельскохозяйственное
производство, производство и потребление продуктов питания, бытовые
и коммунальные отходы и другие технологии. Такое антропогенное
воздействие (загрязнение) окружающей природной среды именуют также
техногенным воздействием (загрязнением).
Техногенное загрязнение в настоящее время является основным
носителем экологической опасности, поскольку уже со второй половины
XX века каждые 12...15 лет удваивался объем промышленного
производства ведущих стран мира, что создавало удвоение выбросов,
сбросов вредных веществ и других отходов, загрязняющих биосферу.
В процессе производственной деятельности на промышленных
объектах могут образовываться и попадать в окружающую среду жидкие,
газообразные и твердые отходы, энергетические выбросы и физические
воздействия (см. рисунок).
Общая схема техногенного загрязнения окружающей среды
3.2. Загрязнение атмосферы
Все загрязняющие вещества атмосферы могут иметь
естественное или антропогенное происхождение.
Естественные загрязнители атмосферы могут иметь внеземное
(космиче ская пыль) или земное происхождение.
Космическая пыль в атмосфере образуется из остатков сгоревших
метеоритов. Ежегодно на Землю выпадает 2–5 млн т космической пыли.
26
Естественная атмосферная пыль может иметь континентальное
или морское происхождение. Морские атмосферные загрязнения
представляют мельчайшие кристаллы солей ряда металлов,
образующихся в результате высыхания водных брызг в воздухе.
Континентальные атмосферные загрязнения представляют собой
постоянную составную часть земной атмосферы в виде мельчайших
пылевых частиц, взвешенных в воздухе. Атмосферная пыль может иметь
неорганическое или органическое происхождение и образуется в
результате разрушения и выветривания горных пород, вулканических
извержений, лесных и степных пожаров. Источниками пыли также
являются безводные пустыни и степи.
Атмосферная пыль имеет большое значение для процессов,
происходящих в атмосфере и на Земле. Пыль способствует конденсации
водяного пара и, следовательно, образованию осадков. Кроме того,
пыль поглощает определённую часть солнечной радиации, выполняя
тем самым защитную роль для живых организмов.
Однако повышенная запылённость атмосферы снижает её
прозрачность и, как следствие, отражательную способность (альбедо)
поверхности Земли, что сказывается на общем энергетическом балансе
Земли, получающей при этом больше тепловой энергии. Основную роль
в изменении прозрачности воздуха играет диоксид углерода (CO2).
Другой разновидностью природных атмосферных загрязнений
является результат биологического разложения веществ. В частности, в
процессе жизнедеятельности почвенных бактерий образуется большое
количество метана, сероводорода, аммиака, диоксида углерода (CO2),
оксидов азота (NO, NO2, N2O, …). Природное выделение газов в
атмосферу происходит также при вулканических извержениях и морских
испарениях.
Основными источниками антропогенного загрязнения
атмосферы, как уже отмечалось выше, являются предприятия
различных отраслей промышленности и сельского хозяйства, топливноэнергетического комплекса, транспорта (от автомобильных двигателей
выбрасывается более 35 % от всей массы выбросов).
Классификация выбросов вредных веществ в атмосферу
установлена ГОСТ 17.2.1.01-76 «Охрана природы. Атмосфера.
Классификация выбросов по составу». Согласно этому стандарту
выбросы в атмосферу классифицируются следующим образом:
• по организации отвода и контроля: организованные и
неорганизованные;
• по агрегатному состоянию вредных веществ:
– газо- и парообразные (диоксид серы, оксид углерода, оксиды
азота, углеводороды и др.);
27
– жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.);
– твердые (органическая и неорганическая пыль, дым, свинец и
его соединения, сажа, смолистые соединения и др.).
В газообразных промышленных выбросах вредные примеси можно
разделить на две группы: взвешенные частицы (аэрозоли) и газообразные
и парообразные вещества.
Основным элементом загрязнения атмосферы являются аэрозольные
образования.
Аэрозоли - это дисперсные системы, в которых дисперсионной
средой служит газ, а дисперсионными фазами являются твердые или
жидкие частицы. Обычно размеры частиц аэрозолей ограничивают
интервалом 10
-7
- 10
-3
см.
Аэрозоли делятся на три группы. К первой относятся пыли -
аэрозоли, состоящие из твердых частиц, диспергированных в
газообразной среде. Ко второй группе относятся дымы - все аэрозоли,
которые получаются при конденсации газа. К третьей группе относятся
туманы - аэрозоли жидких частиц в газообразной среде.
Пыль – это дисперсная малоустойчивая система, содержащая
больше крупных частиц, чем дым и туман. Неорганическая пыль в
промышленных газовых выбросах образуется при горных разработках,
переработке руд, минеральных солей и удобрений, строительных
материалов и других неорганических веществ. Промышленная пыль
органического происхождения – это, например, угольная, древесная,
торфяная, сланцевая, сажа и т.д.
К дымам относятся аэродисперсные системы с малой скоростью
осаждения под действием силы тяжести. Дымы образуются при сжигании
топлива, а также в результате химических реакций. Размеры частиц в
дымах много меньше, чем в пыли и туманах, и составляют от 0,5 мкм до
субмикронных размеров, т.е. менее 0,1 мкм.
Туманы состоят из капелек жидкости, образующихся при
конденсации паров или распылении жидкости. В промышленных
выбросах туманы образуются в основном из кислоты: серной, фосфорной
и др.
К газообразным и парообразным веществам, содержащимся в
промышленных газовых выбросах, относятся: кислоты, газообразные
оксиды, альдегиды, спирты, углеводороды, нитросоединения, пары
металлов, меркаптаны и многие другие компоненты. Эта группа вредных
примесей наиболее многочисленна.
По характеру воздействия на человека выбросы в атмосферу делятся
на общетоксические (диоксид углерода, свинец, мышьяк, ртуть, бензол,
цианиды); раздражающие (аммиак, сернистый ангидрид, окислы азота,
ацетон); сенсибилизирующие, или аллергены, или усиливающие действия
28
других (формальдегид, лаки, растворители); канцерогенные, вызывающие
образование опухолей (бензопирен, сажа, оксиды хрома, асбест);
мутогенные (свинец, марганец, радиационные вещества); влияющие на
репродуктивную функцию (ртуть, свинец, марганец).
По пути проникновения в организм человека:
– дыхательные пути (ингаляция – 80 %);
– желудочно-кишечный тракт (пищеварительная система – 5 %).
– кожа и слизистая оболочка (резорбция – 15 %).
К числу основных веществ-загрязнителей атмосферы (суммарно
более 95% всей массы выбросов в атмосферу) относятся следующие:
Оксиды углерода (СО, СО2) — получаются при неполном сгорании
углеродистых веществ и попадают в атмосферу в результате сжигания
твёрдых отходов, с выхлопными газами автомобилей и выбросами
предприятий.
Оксид углерода (СО) или угарный газ намного легче встраиваются в
гемоглобин крови человека, чем молекулы кислорода, тем самым
приводя к его нехватке в организме при значительных концентрациях. На
долю смертей при пожаре около 40 % приходится на смерть от удушья
угарным газом.
Диоксид углерода (CO2) или углекислый газ является
максимальным по массе выбросов в атмосферу, что способствует
усилению парникового эффекта.
Окисид серы (SO2) и серный ангидрид (SO3)— выделяется при
сгорании серосодержащего угольного топлива нефти и природного газа,
топлива, переработке сернистых руд, выплавке цветных металлов и
производстве серной кислоты. В атмосфере присутствуют в основном в
виде аэрозолей.
Действие соединений серы на человека и животных проявляется,
прежде всего, в поражении верхних дыхательных путей.
Продолжительное действие даже малых концентраций окислов серы
ведет к возникновению хронических бронхитов, ларингитов, гастритов и
др. болезней.
Под влиянием сернистого газа происходит разрушение хлорофилла
в листьях растений, в связи с чем ухудшается фотосинтез и,
следовательно, снижаются качество зелёных насаждений и урожайность
сельскохозяйственных культур.
В атмосфере SO
окисляется до SO3 и далее, соединяясь с водой,
2
образует серную кислоту, что является причиной выпадения «кислотных
дождей».
Серный ангидрид (SO3) является также причиной смога
«лондонского» типа – сплошного тумана. В декабре 1952 г. в Лондоне
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]