смирнов геоэкология

Министерство образования и науки Российской Федерации

___________Федеральное агентство по образованию___________

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Н.П. Смирнов

ГЕОЭКОЛОГИЯ

Рекомендовано Научно-методическим советом Российского государственного гидрометеорологического университета в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по экологическим и гидрометеорологическим специальностям

РГГМУ

Санкт-Петербург

2006

ПРЕДИСЛОВИЕ

В силу неустоявшихся еще ряда положений активно разви­ вающейся науки “экология” нет многих определений и по отдель­ ным ее разделам. Это в полной мере относится и к “геоэкологии”, которая является разделом экологии. Понимание геоэкологии как науки у автора данного учебного пособия наиболее близко к тому определению, которое дано в учебнике «Геоэкология» Г.Н. Голубе­ ва, изданного МГУ в 1999 г. В первой части курса рассматриваются вопросы образования Земли, формирование на ней биосферы и ее эволюционное развитие. Завершается эта часть курса важнейшим разделом, посвященным устойчивости биосферы, который может быть понят только при знании закономерностей эволюции всех со­ ставных частей биосферы. Вторая часть пособия посвящена гло­ бальным биосферным проблемам, связанным с быстрым увеличе­ нием численности населения Земли, уничтожением биоты на боль­ шой части территории нашей планеты, глобальным загрязнением атмосферы, гидросферы и почв на Земле и истощением природных ресурсов Земли.

Учебное пособие подготовлено в полном соответствии с дейст­ вующей программой курса. Разработка программы была выполнена автором учебного пособия, читающего этот курс студентам в тече­ ние шести лет. В основу учебного пособия были положены лекции автора. Пособие подготовлено с использованием научных разрабо­ ток по этой проблеме, выполненных прежде всего российскими учеными, которые внесли очень большой вклад в становление тех проблем, которые представлены в учебном пособии. Это, прежде всего, О.Г. Сорохтин и С.А. Ушаков (“Глобальная эволюция Земли” М., Изд-во МГУ, 1991), К.Я. Кондратьев и В.К. Донченко (“Экоди­ намика и геополитика”, том I, СПб, 1999), В.Г. Горшков (“Физиче­ ские и биологические основы устойчивости жизни” М., 1995), А.С. Монин (“История Земли” Л., “Наука”, 1977), А.Ф. Алимов (Элемен­ ты функционирования водных экосистем, СПб., Наука, 2000), В.Р. Дольник (“Непослушное дитя биосферы” СПб, Паритет, 2003) и многих других российских и зарубежных авторов, список работ ко­ торых приведен в конце пособия. Хочется отметить, что в понима­ нии задач геоэкологии, как раздела экологии, автор пособия опи­ рался прежде всего на труды классиков. Среди них хочется в пер­

3

вую очередь отменить выдающегося американского эколога Юд­ жина Одума, первая капитальная книга которого “Основы эколо­ гии”, переведенная на русский язык должна быть настольной кни­ гой каждого молодого эколога.

В заключение считаю своим приятным долгом поблагодарить ректора РГГМУ профессора JI.H. Карлина, предложившего мне чи­ тать на экологическом факультете курс “Геоэкология”, которым я постепенно увлекся и заведующего кафедрой А.А. Алимова, оказы­ вавшего помощь на первом этапе становления этого курса. Особо хочется поблагодарить профессора В.Р. Дольника, взявшего на себя труд прочесть рукопись пособия и сделавшего ряд полезных заме­ чаний. Общение с этим выдающимися экологом во многом способ­ ствовало становлению автора как эколога.

4

ВВЕДЕНИЕ

Для того чтобы стало ясно, что такое геоэкология, необходимо разобраться в том, что же такое экология и что изучает эта наука. Еще в 1866 г. Геккель первым ввел термин “экология” (oikos - дом, logos - учение) и дал этой науке следующее определение: “Это по­ знание экономики природы, одновременное исследование всех взаи­ моотношений живого с органическими и неорганическими компо­ нентами среды, включая непременно неантагонистические и антаго­ нистические взаимоотношения животных и растений, контактирую­ щих друг с другом. Одним словом, экология - это наука, изучающая все сложные взаимосвязи и взаимоотношения в природе, рассматри­ ваемые Дарвиным как условия борьбы за существование”.

Один из известнейших экологов США и мира Юджин Одум определяет экологию как науку об отношениях организмов или групп организмов к окружающей их среде, т.е. о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания, причем челове­ чество рассматривается как часть природы.

В словаре Уэбстера предмет экологии определен как “совокуп­ ность или структура связей между организмами и их средой”.

Крупнейший французский эколог Р. Дажо, автор книги “Осно­ вы экологии”, изданной в России в 1975 г., понимает под экологией науку, изучающую условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают.

В учебнике “Экология”, изданном в 1980 г. Московским государ­ ственным университетом, дается следующее определение экологии: “Экология изучает совокупность живых организмов, взаимодейст­ вующих друг с другом и образующих с окружающей средой обита­ ния некое единство (т.е. систему), в пределах которого осуществляет­ ся процесс трансформации энергии и органического вещества”.

Наконец, на 5-ом Международном экологическом конгрессе (1990 г.) дано определение экологии как биологической науки, кото­ рая исследует структуру и функционирование систем надорганизменного уровня (популяции, сообщества, экосистемы) в пространстве и времени в естественных и измененных человеком условиях.

Казалось бы, определение экологии дано четкое и однозначное, однако иногда, к сожалению, появляются определения или сужаю­ щие понятие экологии, или, наоборот, беспредельно расширяющие трактовку предмета экологии. В качестве примера можно привести

5

определение экологии из учебника “Основы геоэкологии”, изданно­ го в Санкт-Петербургском государственном университете в 1994 г: “Современная экология - это междисциплинарная область знания, которая стремится понять множество связей, существующих между человеческим обществом и природной средой, и исследует органи­ ческое единство естественнонаучных и социально-экономических проблем”. И далее: “Содержанием экологии являются анализ, сис­ тематизация и обобщение огромного объема экспериментальных данных о формах связей, реализующихся в системе отношений “че­ ловеческое общество - природная среда” и в ее подсистемах”. Дан­ ное толкование относится в лучшем случае к определению некото­ рой эклектической науки, объединяющей и естественные, и соци­ альные, и экологические проблемы жизни.

Уже из определения экологии ясно, что предметом ее изучения являются системы, представляющие собой совокупности организ­ мов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой, т.е. экосистемы. Что мы понимаем под “системой”? “Система” - это реальный или мыслительный объект, целостные свойства которого могут быть представлены как результат взаимодействия образую­ щих его частей. Части - это элементы системы. Элементы образуют систему, но не определяют ее функциональные особенности. Функ­ ционирование систем определяет только способ взаимодействия элементов, а само разнообразие элементов, т. е. их состав, рассмат­ ривается как внешний признак системы. Методологическая основа этой науки - системный подход.

Взаимодействие элементов рождает новые свойства системы, и эти свойства складываются в новые целостные характеристики, ко­ торые невозможно понять только на основании свойств, образую­ щих систему элементов. По природе своих элементов системы мо­ гут быть бесконечно разнообразны, и их соподчиненность приводит

кодной из особенностей, присущей всем без исключения системам

-иерархичности соподчинения элементов.

Так, различные органеллы есть элементы клетки, различные клетки есть элементы тканей, ткани являются элементами органов, органы - элементами организмов, организмы - элементами популя­ ции, популяции - элементами сообществ и т. д. Тогда клетки можно рассматривать как подсистему в пределах более крупной системы - системы тканей и т.д.

6

Различным системным уровням организации жизни соответст­ вуют определенные науки, их изучающие. Так, молекулярная био­ логия изучает микро- и макромолекулярные системы, клеточные системы изучает цитология, органы являются объектами изучения физиологии, отдельных особей изучает целый комплекс наук: мор­ фология, анатомия, систематика. Системы, начиная с уровня попу­ ляции, являются предметами изучения экологии. Популяция особей образует низшую, или элементарную, подсистему в пределах эко­ логической системы - экосистемы.

Совокупность популяций, выполняющих сходную функцио­ нальную роль в системе (т.е. принадлежащих к единой трофической группировке), образуют следующую промежуточную подсистему - ассоциации популяций. Совокупность организмов разных трофиче­ ских группировок завершает структурный ансамбль сообщества - биоценоза, а вместе с окружающей его средой - геобиоценоза. На­ конец, комплекс всех геобиоценозов Земли формирует биосферу, т.е. все живое на Земле вместе с тем, что его окружает. Организмы, образующие простые и сложные системы сообществ, взаимодейст­ вуют друг с другом не вообще, а в реальном окружающем их про­ странстве, которое часто называют биотопом или, не совсем верно, окружающей средой. Таким образом, экосистему можно рассматри-. вать как локализованную в пространстве и динамичную во времени совокупность совместно обитающих и входящих в сообщества раз­ личных организмов и условий их существования, находящихся в закономерной связи между собой и образующих систему взаимо­ обусловленных биотических и абиотических процессов. Все особи популяции, сообщества, или биоценоза, связаны с абиотической компонентой, биотопом, функциональной связью, извлекая из нее различные вещества и обогащая ее продуктами своей жизнедея­ тельности. В результате такого взаимодействия организмов с окру­ жающей их средой внутри экосистемы осуществляется постоянный поток вещества и энергии. Процессы биологического круговорота веществ и трансформации энергии в экосистеме осуществляются и организуются в результате продуцирования органического вещест­ ва растениями и различных биотических взаимоотношений между организмами через их трофические цепи.

Экология изучает не свойства самих элементов, образующих сис­ тему, а свойства самих систем, их функционирования. Поэтому важно

7

всегда рассматриваем эволюцию и функционирование биосферы прежде всего, с позиций ее влияния на развитие человеческого со­ общества. Но такое определение значительно сужало бы понятие геоэкологии как науки, и, кроме того, эта система является предме­ том изучения отдельного раздела экологии - экологии человека.

Интересным и в целом близким к нашему определению является определение геоэкологии данное Г.Н. Голубевым (Геоэкология, 1999 г.) Геоэкология - это междисциплинарное научное направление, изучающее экосферу как взаимосвязанную систему геосфер в про­ цессе ее интеграции с обществом. При этом под экосферой понимает­ ся тонкая поверхностная оболочка, где пересекаются геосферы (атмо­ сфера, геосфера, литосфера и биосфера), и где живет и действует че­ ловек. Здесь непонятно только одно, что же такое биосфера, если из нее выделены атмосфера, гидросфера и литосфера? Если под биосфе­ рой в данном случае понимать только биоту, то тогда с таким опре­ делением геоэкологии вполне можно согласиться.

Основным объектом изучения геоэкологии, в нашем понимании является биосфера Земли - система самого высокого иерархического уровня, которая включает человечество как элемент очень важный, может быть на данном этапе самый главный, но элемент системы.

Давайте уточним, что же такое биосфера? Необходимость это­ го вызвана тем, что в отечественной литературе на каждом шагу приходится сталкиваться с неоднозначной ее трактовкой.

Термин “биосфера” был предложен еще Ламарком, но ввел этот термин в употребление В.И. Вернадский. Биосфера - это часть планеты, которая включает совокупность живых существ и в кото­ рой возможна постоянная жизнь. Это самая крупная и наиболее близкая к идеалу “самообеспечения” биологическая система. Она включает все живые организмы и всю взаимодействующую с ними физическую среду Земли. Через нее проходит поток энергии от Солнца, который частично поглощается, частично переизлучается в космическое пространство. Важно, что в этой системе поддержива­ ется состояние устойчивого равновесия.

Литосфера, атмосфера и гидросфера - это три физические сре­ ды, которые образуют биосферу, являются ее составляющими, в которых осуществляется жизнь. Иногда высказывается мнение, что воздух, вода и земля даны нам свыше в том виде, в каком они есть, и таковыми они и останутся, и только с жизнью на Земле могут

9

происходить какие-то катаклизмы. На самом деле, все эти три фи­ зические оболочки планеты теснейшим образом связаны с наличи­ ем жизни и сформировались вместе с развитием жизни на Земле. Если бы на Земле не зародилась жизнь, то и атмосфера, и гидро­ сфера, и литосфера были бы во многом другими. Но и зарождение, и развитие жизни на Земле стало возможным потому, что многие параметры нашей планеты оказались такими, какие они есть. По­ этому биосфера включает в себя не просто среду обитания, а среду, сформировавшуюся в результате длительного взаимодействия жи­ вого и неживого в процессе эволюции Земли.

Современная биосфера, как экологическая система высшего по­ рядка, является итогом планетарного непрерывного, направленного и необратимого развития на протяжении почти 4 млрд. лет. Установле­ ны неравномерность темпов этого развития, критические рубежи экосистемных перестроек, великие вымирания в развитии органического мира Земли и великие экспансии в захвате освобождающихся эколо­ гических ниш, связь этих процессов с изменениями состояния лито­ сферы, гидросферы, атмосферы и с эволюцией геохимических и геодинамических циклов планеты. Анализ факторов нарушения и восста­ новления экологической устойчивости в геологическом прошлом по­ зволяет вскрыть “нормальный”, естественноисторический ход эволю­ ции биосферы, особенно важный для новейшего этапа геологической истории, и прогнозировать этот процесс с учетом “поправки” на ан­ тропогенное воздействие. Исследование геологического процесса и эволюции биосферы имеют принципиальное значение для оценки со­ временного состояния биосферы, прогнозирования ее судьбы и для выработки путей ослабления воздействия на нее человека.

Поэтому первые три главы учебного пособия посвящены имен­ но проблемам образования Земли, биосферы и ее эволюции.

Фундаментальной проблемой геоэкологии является вопрос об устойчивости биосферы и факторах, определяющих или нарушаю­ щих ее устойчивость. В данном направлен™ сделано еще мало, но это один из центральных вопросов современной экологии вообще, начиная с аутэкологического уровня до биосферы в целом. Этому вопросу посвящена четвертая глава.

Деятельность человека на современном этапе привела к таким последствиям, которые начинают сказываться на функционирова­ нии всей биосферы как единой системы. Это связано, в первую оче­

10