- •Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Тверской государственный технический университет
- •Тверь 1998
- •Предисловие
- •Введение
- •1. Важнейшие научные концепции и положения экологии
- •1.1 Исходные теоретические концепции экологии
- •1.2 Взаимоотношения организма и среды
- •1.3.Экология популяций и сообществ
- •1.4.Экологические системы
- •1.4.1. Общая характеристика.
- •1.4.2.Превращения энергии в экосистемах.
- •1.4.3.Классификация экосистем.
- •1.4.4.Эволюция и устойчивость экосистем.
- •2.Биосфера и человек
- •2.1.Структура и эволюция биосферы
- •2.1.1.Состав и границы биосферы.
- •2.1.2.Циркуляция элементов в биосфере.
- •2.1.3.Эволюция биосферы.
- •2.2.Человек в биосфере
- •2.3.Экология человека
- •2.3.1.Среды жизни человека и формы его адаптации к ним.
- •2.3.2.Адаптивные типы и расы.
- •2.4.Основные направления антропогенных воздействий на биосферу
- •2.4.1.Современные воздействия человека на биосферу.
- •2.4.2.Общая характеристика негативных воздействий экономической деятельности человека на пс.
- •3.Актуальные экологические проблемы человечества в биосфере
- •3.1.Проблема роста народонаселения
- •3.2.Проблема урбанизации
- •3.3.Глобальные последствия загрязнения атмосферы
- •3.4.Опасность ядерных катастроф и радиоактивных загрязнений
- •3.5. Проблема истощения природных ресурсов
- •3.6. Региональные экологические проблемы Тверской области
- •3.7. Прогнозирование и оценка экологического риска.
- •4.Охрана биосферы
- •4.1.Экологические принципы охраны природы и рационального природопользования
- •4.2.Концепция экологической безопасности и устойчивого развития рф
- •4.3. Экологический мониторинг в биосфере, рф и ее регионах
- •4.4. Международное сотрудничество по охране ос
- •4.5.Основные формы и методы защиты природной среды и решения экологических проблем
- •5.Защита компонентов биосферы
- •5.1.Защита атмосферы от материальных загрязнений
- •5.1.2.Характеристика и источники загрязнения атмосферы.
- •5.1.3. Нормирование загрязнений атмосферы.
- •5.1.4.Контроль за состоянием чистоты атмосферы.
- •5.1.5.Защита_атмосферного воздуха.
- •5.1.6.Рассеивание выбросов в атмосфере.
- •5.1.7.Методы очистки выбросов.
- •5.2.Защита водной среды от материальных загрязнений
- •5.2.1. Экологическая характеристика водной среды.
- •5.2.2.Водопользование и его виды.
- •5.2.3.Виды и источники загрязнения водной среды.
- •5.2.4.Нормирование качества воды.
- •5.2.5.Контроль качества воды и регламентация спуска св в водоемы и канализацию города.
- •5.2.6.Основные направление защиты водной среды.
- •5.2.7.Методы очистки св.
- •5.2.8.Оборотное водоснабжение предприятий
- •5.3.Охрана почв и земель
- •5.3.1.Экологическое значение почв.
- •5.3.2.Антропогенные воздействия на почвы.
- •5.3.3.Борьба с порчей почв, земли и рекультивация земель.
- •5.4. Охрана флоры и фауны
- •5.4.1. Охрана растительного мира.
- •5.4.2. Охрана животного мира (фауны).
- •5.5. Охрана недр
- •5.6. Защита опс от радиоактивных загрязнений
- •5.6.1. Важнейшие параметры ии и единицы их измерения.
- •5.6.2. Характеристика и источники рз в рф.
- •5.6.3. Гигиеническое нормирование техногенного облучениялюдей.
- •5.6.4. Радиационный контроль (рк) в рф.
- •5.6.5. Защита от ии.
- •5.6.6. Принципы обеспечения рб населения.
- •5.7. Защита опс от энергетических загрязнений
- •5.7.1. Защита населения от акустических загрязнений.
- •5.7.2. Защита населения от вибраций.
- •5.7.3. Защита населения от неионизирующих электромагнитных загрязнений.
- •5.7.3.1. Защита населения от воздействий змп промышленной частоты.
- •5.7.3.2. Защита населения от воздействий змп радиотехнических объектов (рто).
- •5.7.4. Защита опс от тепловых загрязнений стз).
- •6. Основы экономики природопользования
- •6.1. Взаимоотношения человеческого общества и природы, варианты его решения
- •6.2. Экологическая экспертиза хозяйственной и иной деятельности
- •6.3. Оценка ущерба от загрязнений опс
- •6.4. Экономический механизм природопользования в рф
- •6.5 Экономическое стимулирование природоохранной деятельности и экологические фонды в рф
- •7. Основы экологического права и управление охраной природы в рф
- •7.1.Источники и содержание экологических правовых норм
- •7.2. Ответственность за экологические правонарушения
- •7.3. Управление охраной природы в рф
- •Заключение
- •Библиогpафическии список
- •Приложение 1. Принятие сокращения в учебном пособии
- •1. Важнейшие научные концепции и положения экологии 9
- •2. Биосфера и человек 28
- •3. Актуальные экологические проблемы человечества в биосфере 50
- •4. Охрана биосферы 69
- •5. Защита компонентов биосферы 83
- •6. Основы экономики природопользования 157
- •7. Основы экологического права и управление охраной природы в рф 171
2.1.2.Циркуляция элементов в биосфере.
Выше была рассмотрена циркуляция энергии и вещества в экосистемах. Биосфера представляет собой уникальную планетарную экосистему со сложившимися биогеохимическими циклами циркуляции наиболее важных для жизни элементов. Масштабы хозяйственной деятельности человека стали настолько велики, что при определенных условиях они способны нарушить эту отлаженную за сотни миллионов лет систему регуляции природной среды (достаточно вспомнить разрушение озонового экрана и повышение содержания в атмосфере СО2). Для профилактики таких чрезвычайно опасных для жизни в целом нарушений необходимо знать основные биогеохимические циклы биосферы.
Одной из особенностей биосферы является наличие мощных буферных систем (в атмосферном воздухе, гидросфере и литосфере), способных нейтрализовать даже существенные нарушения в установившемся круговороте веществ и энергии. Надежность функционирования этих систем обеспечивается, в частности, тем, что на каждый квадратный метр Земли приходится 1260 м3 воздуха и 8300 м3 воды океанов (морей) и 2,4 м2 раздела между воздухом и водой.
Биогеохимические циклы биосферы обеспечивают живые организмы 30...40 химическими элементами, необходимыми для них. Рассмотрим важнейшие круговороты биосферы - воды, углерода, кислорода, азота, фосфора и серы.
Вода - важнейшее для живых организмов неорганическое вещество Ее запасы в биосфере 1,386 млрд.км3, из них 35 млн.км пресных вод. Основная масса воды - 96,5% находится в
океане, 1,73% - в ледниках, 1,7% - в подземных водах. Остальная вода содержится во льдах вечной мерзлоты (0,02%), атмосфере (0,001%) , в озерах, болотах и реках (0,023%). Различают большой и малый круговороты воды. Малый круговорот начинается испарением воды из океана, затем следует конденсация водяных паров в атмосфере и возвращение в виде осадков в океан. Большой круговорот включает выпадение осадков на сушу. Часть из них испаряется с поверхности почвы, часть поступает в растения и в результате транспирации (испарения листьями растений) переходит в виде водяных паров в атмосферный воздух. Оставшиеся осадки через реки и подземные воды попадают в океан, завершая большой круговорот воды.
Углерод содержится в виде CO2 в атмосфере (23,5*1011 т). В процессе фотосинтеза он ассимилируется растениями и по пищевым цепям потребляется консументами разных порядков. При дыхании живых организмов выделяется CО2 , поступающий в атмосферу. Часть углерода накапливается в виде мертвой органики, переходя в горючие ископаемые. Сжигая ископаемое топливо, человек интенсивно высвобождает СО2, создавая свой биолого-технический круговорот углерода. Основная масса углерода содержится в карбонатных отложениях на дне океана и кристаллических породах земной коры (всего 2,3*106 т), в каменном угле и нефти (3.4*1015 т).
В биогеохимический круговорот включен и углерод тканей растений и животных (соответственно 5*1011 и 5*109 т),
Свободный кислород в биосфере является в основном продуктом фотосинтеза (ежегодное выделение O2 растениями составляет 2,8*1011 млн.т). Поступлений О2 в атмосферу за счет фитопланктона и водных растений почти в 5 раз меньше (0,6*1011 млн.т в год). Относительно небольшое количество O2 выделяется при разложении органики в океане и на суше. Расходование свободного 02 обеспечивается процессами дыхания, сжиганием горючих материалов и окислением органики. Полное окисление органического вещества на планете привело бы к снижению концентрации О2 до 1% и повышению концентрации СО2 до 10%. На круговорот О2 существенно влияет хозяйственная деятельность человека (10% всего количества связываемого О2 обеспечивается сжиганием топлива).
Громадный резервный фонд азота содержится в атмосфере (до 80% ее массы), атмосферный азот переводится в доступную для растений форму путем атмосферной фиксации при грозовой деятельности и фиксации биоценозами суши и океана. Существенную часть фиксации азота обеспечивают промышленные установки. Ассимилируемые живыми организмами соединения азота в реакциях с
использованием энергии солнечного света или органического вещества последовательно преобразуются из нитритов в нитраты, аммиак и аминокислоты, являющихся одними из важнейших компонентов протоплазмы живых клеток.
Процесс разрушения живого вещества от протоплазмы к более простым соединениям и молекулярному азоту идет с участием денитрофицирующих бактерий. Схема круговорота азота представлена на рис. 2.2.
Рис 2.2
Важную роль в круговороте азота в наше время играет выбросы промышленности и транспорта, антропогенные выбросы составляют около 53 млн.т NO2 в год или примерно 65% всех поступлений NO2 атмосферу.
В круговороте фосфора резервный фонд находится в горных породах и отложениях, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В процессах эрозии фосфор в форме фосфатов поступает в океан и отлагается в осадках. В мелководных отложениях на континентальном шельфе и на донных отложениях озер фосфатредуцирующие бактерии превращают фосфаты в растворимые формы, которые усваиваются живыми организмами. Фосфаты глубоководных осадков выбывают из круговорота фосфора. С мертвыми организмами, экскрециями животных соединения фосфора попадают в почву, разлагаются до растворимых фосфатов и вновь ассимилируются живыми организмами. Часть соединений фосфора из океана вместе с
рыбой также возвращается в почву. В прошлые геологические эпохи такой возврат был более интенсивным за счет переноса фосфора птицами (об этом, в частности, свидетельствуют колоссальные отложения гуано, т.е. разложившегося помета морских птиц, в Южной Америке). Человечество компенсирует уменьшение содержания фосфора в почве внесением большого количества фосфорных удобрений.
В круговороте серы основной резервный фонд находится в почве и донных отложениях океанов и озер, а меньший - в атмосфере. Ключевую роль в круговороте серы играют специализированные микроорганизмы, обеспечивающие окисление и восстановление серы. В глубоководных отложениях в результате их деятельности образуется сероводород. Вместе с геохимическими и метеорологическими процессами микроорганизмы обеспечивают круговорот серы в воздухе, почве и воде. Все возрастающую роль в указанных процессах играют загрязнения атмосферы выбросами оксида серы промышленных предприятий и транспорта. Их масса составляет около 100 млн.т в год или около 15,5% всех поступлений данного вещества в атмосферу.
В завершение анализа биогеохимических циклов биосферы следует подчеркнуть их основные особенности:
1. Все круговороты сложились как идеально отлаженная последовательность процессов ассимиляции и диссимиляции веществ, обеспечивающих динамическую стабильность среды обитания живых организмов и прежде всего составов газов атмосферы, солей океана и биогенных элементов почвы.
2. Все круговороты имеют мощные буферные и обменные фонды, легко компенсирующие даже существенные изменения биогенной миграции элементов вследствие многолетних колебаний климата и расширения экономической деятельности человека.
3. Для каждого газового и водного круговоротов характерно свое время оборота биогенных элементов и веществ через живые организмы (для N2 - 100 лет, СО2 - 200...300 лет, О2 - 2000...2500 лет, Н2О - 2 млн. лет).
4. В наше время изменения, вносимые экономической деятельностью человека в биосферные круговороты, стали вполне сравнимы с масштабами соответствующих природных процессов (например, поступление CO2 в атмосферу за счет сжигания топлива человеком увеличилась более чем в 2 раза; 65% поступлений NO2 в атмосферу составляют антропогенные выбросы; промышленная фиксация N2 составляет 2/3 от биологической).