Отличие искусственных и природных экосистем

 

Экологическая система - это рассматриваемая как целое совокупность живых существ, со всеми своими взаимными связями, находящихся в общей для них среде обитания.

Опираясь на энергетические особенности существующих систем, можно их классифицировать, приняв энергию за основу, выделяют четыре фундаментальных типа экосистем:

1. Природные: движимые Солнцем, несубсидируемые;

2. Природные, движимые Солнцем, субсидируемые другими естественными источниками;

3. Движимые Солнцем и субсидируемые человеком;

4. Индустриально-городские, движимые топливом (ископаемым, другим органическим и ядерным).

Эта классификация принципиально отличается от биомной, основанной на структуре экосистем, так как она основана на свойствах среды. Тем не менее, она хорошо дополняет ее. Первые два типа - это природные экосистемы, а третий и четвертый следует отнести к антропогенным (искусственным).

К первому типу экосистем относятся океаны, высокогорные леса, являющиеся основой жизнеобеспечения на планете Земля.

Ко второму типу экосистем относятся эстуарии в приливных морях, речные экосистемы, дождевые леса, т.е. те, которые субсидируются энергией приливных волн, течений и ветра.

Экосистемы первого типа занимают громадные площади - одни океаны - это 70% территории земного шара. Ими движет энергия только самого Солнца, и они являются основой, стабилизирующей и поддерживающей жизнеобеспечивающие условия на планете.

Экосистемы второго типа обладают высокой естественной плодородностью. Эти системы "производят" столько первичной биомассы, что ее хватает не только на собственное содержание, но часть этой продукции может выноситься в другие системы или накапливаться.

Таким образом, природные экосистемы "работают" на поддержание своей жизнедеятельности и собственного развития без всяких забот и затрат со стороны человека, более того, в них создается и заметная доля пищевых продуктов и других материалов, необходимых для жизни самого человека. Но главное, именно здесь очищаются большие объемы воздуха, возвращается в оборот пресная вода, формируется климат и др.

Совсем иначе работают антропогенные экосистемы. К ним можно отнести третий тип - это агроэкосистемы, аквакультуры, производящие продукты питания и волокнистые материалы, но уже не только за счет энергии Солнца, а и дотации ее в форме горючего, поставляемого человеком.

Эти системы походят на природные, поскольку саморазвитие культурных растений в период вегетации - это процесс природный и вызван к жизни природной солнечной энергией. Но подготовка почв, сев, уборка урожая и др. - это уже энергетические затраты человека. Более того, человек практически целиком меняет природную экосистему, что выражается, прежде всего, в ее упрощении, т.е. снижении видового разнообразия вплоть до сильно упрощенной монокультурной системы (таблица 1).

 

Природная экосистема (болото, луг, лес)	Антропогенная экосистема (поле, завод, дом)
Получает, преобразует, накапливает солнечную энергию.	Потребляет энергию ископаемого и ядерного топлива.
Продуцирует кислород и потребляет диоксид углерода.	Потребляет кислород и продуцирует диоксид углерода при сгорании ископаемого топлива.
Формирует плодородную почву.	Истощает или представляет угрозу для плодородных почв.
Накапливает, очищает и постепенно расходует воду.	Расходует много воды, загрязняет ее.
Создает местообитания различных видов дикой природы.	Разрушает местообитания многих видов дикой природы.
Бесплатно фильтрует и обеззараживает загрязнители и отходы.	Производит загрязнители и отходы, которые должны обеззараживаться за счет населения.
Обладает способностью самосохранения и самовосстановления.	Требует больших затрат для постоянного поддержания и восстановления.

Современное сельское хозяйство позволяет постоянно из года в год удерживать экосистемы на ранних стадиях сукцессий, добиваясь максимальной первичной продуктивности одной или нескольких растений. Крестьянам удается добиваться высоких урожаев, но дорогой ценой, а цена эта обуславливается затратами на борьбу с сорняками, на минеральные удобрения, на образование почв и т.д.

Устойчивое появление новых видов, например, травянистых растений, есть результат естественного сукцессионного процесса.

Животноводство - это также путь к упрощению экосистемы; охраняя полезных ему сельскохозяйственных животных, человек уничтожает диких животных: травоядных, как конкурентов в пищевых ресурсах, хищников - как уничтожающих домашний скот.

Вылов ценных видов рыб упрощает экосистемы водоемов. Загрязнение воздушной и водной сред также ведет к гибели деревьев и рыб и "обирает" природные экосистемы.

По мере роста народонаселения, люди будут вынуждены преобразовывать все новые зрелые экосистемы в простые молодые продуктивные. На поддержание этих систем в "молодом" возрасте увеличивается использование топливо-энергетичеких ресурсов. Кроме того, произойдет утрата видового (генетического) разнообразия и природных ландшафтов (таблица 1).

Молодая, продуктивная экосистема очень уязвима из-за монотипного видового состава, так как в результате какой-то экологической катастрофы (засухи), ее уже не восстановить вследствие разрушения генотипа. Но для жизни человечества они необходимы, поэтому наша задача - сохранить баланс между упрощенными антропогенными и соседствующими с ним более сложными, с богатейшим генофондом, природными экосистемами, от которых они зависят.

Энергетические затраты в сельском хозяйстве велики - природные плюс субсидируемые человеком и, тем не менее, самое продуктивное сельское хозяйство находится примерно на уровне продуктивных природных экосистем.

Продуктивность и тех и других основана на фотосинтезе действительное различие между системами лишь в распределении энергии: в антропогенной она поглощается лишь несколькими (одним-двумя) видами, а в природной - многими видами и веществами.

В экосистемах четвертого типа, к которым относятся индустриально-городские системы - энергия топлива полностью заменяет солнечную энергию. По сравнению с потоком энергии в природных экосистемах - здесь ее расход на два-три порядка выше.

 

 

Масштабы антропогенного воздействия на биосферу

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.

Разнообразные виды вмешательства человека в естественные процессы в биосфере можно сгруппировать по следующим категориям загрязнений (рис. 1.7): ингредиентное загрязнение (внесение химических веществ, которые количественно или качественно чужды естественным биогеоценозам); параметрическое (физическое) загрязнение, связанное с изменением качественных параметров окружающей среды; биоценотическое загрязнение (воздействие на состав и структуру популяций живых организмов, населяющих биогеоценоз); стациалъно-деструкционное загрязнение (стация — место обитания популяции), — изменение ландшафтов и экологических систем с целью приспособления природы в интересах человека. С позиций кибернетики загрязнение — это комплекс помех в экосистемах, которые воздействуют на потоки энергии и информации в пищевых (энергетических) цепях. Важно подчеркнуть, что, в отличие от естественных, антропогенные помехи часто ведут не к отбору наиболее приспособленных особей, а к массовой элиминации (вымиранию) организмов. Это связано со специфическими особенностями действий антропогенных факторов. Важнейшие из них следующие: 1) нерегулярность действия, а, значит, и непредсказуемость для организмов, а также высокая интенсивность изменений, которая часто несоизмерима с адаптационными возможностями

Воздействие – непосредственное влияние хозяйственной деятельности

человека на окружающую природную среду. Все виды воздействия можно

объединить в 4 тип: преднамеренное, непреднамеренное, прямое и косвенное

(опосредованное).

Преднамеренное воздействие происходит в процессе материального

производства с целью удовлетворения определенных потребностей общества. К

ним относятся: добыча полезных ископаемых, строительство гидротехнических

сооружений (водохранилищ, оросительных каналов, ГЭС), вырубка лесов для

расширения земледельческих площадей и для получения древесины и др.

Непреднамеренное воздействие возникает побочно с первым типом

воздействия, в частности, добыча полезных ископаемых открытым способом

приводит к понижению уровня грунтовых вод, к загрязнению воздушного

бассейна, к образованию техногенных форм рельефа (карьеры, терриконы,

хвостохранилища). Строительство ГЭС сопряжено с образованием искусственных

водохранилищ, которые воздействуют на среду: вызывают повышение уровня

грунтовых вод, меняют гидрологический режим рек и т.д. При получении

энергии из традиционных источников (уголь, нефть, газ) происходит

загрязнение атмосферы, поверхностных водотоков, подземных вод и пр.

Как преднамеренные, так и непреднамеренные воздействия могут быть

прямыми и косвенными.

Прямые воздействия имеют место в случае непосредственного влияния

хозяйственной деятельности человека на среду, в частности ирригация

(орошение) непосредственно воздействует на почву и изменяет все процессы,

связанные с ней.

Косвенные воздействия происходят опосредованно – через цепочки

взаимосвязанных влияний. Так, преднамеренные косвенные воздействия – это

применение удобрений и непосредственно влияние на урожайность культур, а

непреднамеренные – влияние аэрозолей на количество солнечной радиации (в

особенности в городах) и т.д.

Воздействие горного производства на среду – многообразно проявляется

в прямом и косвенном воздействии на природные ландшафты. Наибольшие

нарушения земной поверхности происходят при открытом способе разработки

полезных ископаемых, на долю которого в нашей стране приходится более 75%

объема горного производства.

В настоящее время общая площадь земель, нарушенных при добыче

полезных ископаемых (уголь, железные и марганцевые руды, нерудное сырье,

торф и др.), а также занятых отходами горного производства, превысила 2 млн

га, из которых 65% приходится на европейскую часть страны. Только в

Кузбассе угольными карьерами сейчас занято более 30 тыс. га земель, в

районе Курской магнитной аномалии (КМА) – не более 25 тыс. га плодородных

земель.

Подсчитано, что при добыче 1 млн т железной руды нарушается до 640

га земли, марганцевой – до 600 га, угля – до100 га. Горное производство

способствует уничтожению растительного покрова, возникновение техногенных

форм рельефа (карьеры, отвалы, хвостохранилища и пр.), деформации участков

земной коры (особенно при подземном способе добычи полезных ископаемых).

Косвенные воздействия проявляются в изменении режима грунтовых вод,

в загрязнении воздушного бассейна, поверхностных водотоков и подземных вод,

а также способствуют подтоплению и заболачиванию, что в конечном итоге

приводит к повышению уровня заболеваемости местного населения. Среди

загрязнителей воздушной среды выделяется прежде всего запыленность и

загазованность. Подсчитано, что из подземных горных выработок шахт и

рудников ежегодно поступает около 200 тыс. т пыли; добыча угля в количестве

2 млрд т в год примерно из 4000 шахт в различных странах мира

сопровождается выделением в атмосферу 27 млрд м3 метана и 17 млрд м3

углекислого газа. В нашей стране при разработке угольных месторождений

подземным способом также фиксируется значительные количества метана и СО2,

поступающие в воздушный бассейн: ежегодно в Донбассе (364 шахты) и в

Кузбассе (78 шахт) выбрасывается соответственно метана 3870 и 680 млн м3 и

углекислого газа – 1200 и 970 млн м3.

Горное производство негативно воздействует на поверхностные водотоки

и подземные воды, которые сильно загрязняются механическими примесями и

минеральными солями. Ежегодно из угольных шахт на поверхность откачивается

около 2,5 млрд м3 загрязненных шахтных вод. При открытых горных работах в

первую очередь истощаются запасы высококачественных пресных вод. На

карьерах Курской магнитной аномалии инфильтрация из хвостохранилищ

препятствует снижению уровня верхнего водоноса горизонта на 50 м, что

приводит к подъему уровня грунтовых вод и заболачиванию прилегающей

территории.

Отрицательно влияет горное производство и на недра Земли, так как в

них захороняют отходы промышленного производства, радиоактивные отходы (в

США – 246 полигонов подземного захоронения) и др. В Швеции, Норвегии,

Англии, Финляндии в горных выработках устраивают хранилища нефти и газа,

питьевой воды, подземные холодильники и др.

Воздействие на гидросферу – человек начал оказывать существенное

влияние на гидросферу и водный баланс планеты. Антропогенные преобразования

вод континентов уже достигли глобальных масштабов, нарушая естественный

режим даже крупнейших озер и рек земного шара. Этому способствовали:

строительство гидротехнических сооружений (водохранилищ, оросительных

каналов и систем переброски вод), увеличение площади орошаемых земель,

обводнение засушливых территорий, урбанизация, загрязнение пресных вод

промышленными, коммунальными стоками. В настоящее время в мире имеется и

строится около 30 тыс. водохранилищ, объем вод которых превысил 6000 км3.

Но 95% этого объема приходится на крупные водохранилища. В мире имеется

2442 крупных водохранилищ, при этом их наибольшее количество приходится на

Северную Америку – 887 и Азию – 647. На территории бывшего СССР было

построено 237 крупных водохранилищ.

В целом пока площади водохранилищ в мире составляют всего 0,3%

земельных угодий, но при этом увеличивают речной сток на 27%. Однако,

крупные водохранилища оказывают отрицательное воздействие на окружающую

среду: изменяют режим грунтовых вод, их акватории занимают большие участки

плодородных земель, приводят к вторичному засолению почв.

В России крупные водохранилища (90% из 237 в б. СССР), имеющие

площадь зеркала 15 млн га, занимают около 1% ее территории, но из этой

величины 60 –70% составляют затопленные земли. Гидротехнические сооружения

приводят к деградации речных экосистем. В последние годы в нашей стране

составлены схемы улучшения природно-технического состояния и

благоустройства некоторых крупных водохранилищ и каналов. Это позволит

уменьшить степень их неблагоприятного воздействия на окружающую природную

среду.

Воздействие на животный мир – животные вместе с растениями играют

исключительную роль в миграции химических элементов, которая лежит в основе

существующих в природе взаимосвязей; они также важны для существования

человека как источник пищи и различных ресурсов. Однако хозяйственная

деятельность человека сильно повлияла на животный мир планеты. По данным

Международного союза охраны природы, с 1600 г. на Земле вымерло 94 вида

птиц и 63 вида млекопитающих. Исчезли такие животные, как тарпан, тур,

сумчатый волк, европейский ибис и др. Особенно пострадала фауна океанских

островов. В результате антропогенного воздействия на материках возросло

количество исчезающих и редких видов животных (бизон, викунья, кондор и

др.). В Азии угрожающе сократилась численность таких животных, как носорог,

тигр, гепард, др.

В России к началу нынешнего века отдельные виды животных (зубр,

речной бобр, соболь, выхухоль, кулан) стали редкими, поэтому для их охраны

и воспроизводства были организованы заповедники. Это позволило восстановить

популяцию зубра, увеличить численность амурского тигра, белого медведя.

Однако в последние годы на животном мире отрицательно сказывается

чрезмерное применение минеральных удобрений и пестицидов в сельском

хозяйстве, загрязнение Мирового океана и др. антропогенные факторы. Так, в

Швеции применение пестицидов привело к гибели прежде всего птиц-хищников

(сапсан, пустельга, орлан-белохвост, филин, ушастая сова), погибают

жаворонки, грачи, фазаны, куропатки и др. Аналогичная картина отмечается во

многих западно-европейских странах. Поэтому при возрастающей антропогенной

нагрузке многие виды животных нуждаются в дальнейшей охране и

воспроизводстве.

Воздействие на земную кору – человек стал вмешиваться в жизнь

земной коры, являясь мощным рельефообразующим фактором. На земной

поверхности возникли техногенные формы рельефа: валы, выемки, бугры,

карьеры, котлованы, насыпи, терриконы и др. Отмечены случаи прогибания

земной коры под крупными городами и водохранилищами, последние в горных

районах привели к увеличению естественной сейсмичности. Примеры таких

искусственных землетрясений, которые были обусловлены заполнением водой

котловин крупных водохранилищ, имеются в Калифорнии, США, на полуострове

Индостан. Такой тип землетрясений хорошо изучен в Таджикистане на примере

Нукерского водохранилища. Иногда землетрясения могут вызываться

откачиванием или закачиванием отработанных вод с вредными примесями глубоко

под землю, а также интенсивной добычей нефти и газа на крупных

месторождениях (США, Калифорния, Мексика).

Наибольшее воздействие на земную поверхность и недра оказывает

горное производство, особенно при открытом способе добычи полезных

ископаемых. Как уже отмечалось выше, при этом способе изымаются

значительные площади земельных угодий, происходит загрязнение окружающей

среды различными токсикантами (особенно тяжелыми металлами). Локальные

прогибания земной коры в районах добычи угля известны в Силезском районе

Польши, в Великобритании, в США, Японии и др. Человек геохимически изменяет

состав земной коры, добывая в огромном количестве свинец, хром, марганец,

медь, кадмий, молибден и др.

Антропогенные изменения земной поверхности также связаны со

строительством крупных гидротехнических сооружений. К 1988 г. во всем мире

построено более 360 плотин (высотой 150 – 300 м), из них в нашей стране 37.

Суммарное воздействие веса плотин, а также процессы выщелачивания приводят

к значительной осадке их оснований с образованием трещин (в основании

плотины Саяно-Шушенской ГЭС отмечены трещины длиной до 20 м). Большая часть

Пермской области ежегодно оседает на 7 мм, так как чаша Камского

водохранилища с огромной силой давит на земную кору. Максимальные величины

и скорости просадки земной поверхности, вызываемые заполнением

водохранилищ, значительно меньше, чем при добыче нефти и газа, больших

откачках подземных вод.

Для сравнения укажем, что Японские города Токио и Осака из-за

откачки подземных вод и уплотнения рыхлых пород за последние годы

опустились на 4 м (при ежегодной скорости осадки до 50 см). Таким образом,

только детальные исследования взаимосвязей природных и антропогенных

рельефообразующих процессов помогут устранить нежелательные последствия

воздействия хозяйственной деятельности человека на земную поверхность.

Воздействие на климат – в некоторых регионах земного шара в

последние годы эти воздействия стали критическими и опасными для биосферы и

для существования самого человека. Ежегодно в результате хозяйственной

деятельности человека во всем мире поступление загрязняющих веществ в

атмосферу составило: диоксида серы – 190 млн т, оксидов азота – 65 млн т,

оксидов углерода – 25,5 млн т и т.д. Ежегодно при сжигании топлива кроме

того выбрасывается более 700 млн тонн пылеватых и газообразных соединений.

Все это приводит к увеличению концентрации в атмосферном воздухе

антропогенных загрязнителей: моноксида и диоксида углерода, метана, оксидов

азота, диоксида серы, озона, фреонов и др. Они оказывают существенное

воздействие на глобальный климат, вызывая негативные последствия:

"парниковый эффект", истощение "озонного слоя", кислотные дожди,

фотохимический смог и др.

Увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере привело к

глобальному потеплению климата: средняя температура воздуха повысилась на

0,5-0,60 С (по сравнению с доиндустриальным периодом), а к началу 2000 г.

это повышение составит 1,20 С и к 2025 г. может достигнуть 2,2–2,50 С. Для

биосферы Земли такое изменение климата может иметь как отрицательные, так и

положительные экологические последствия.

К первым можно отнести: повышение уровня Мирового океана

(современная скорость подъема вод составляет примерно 25 см за 100 лет) и

его отрицательные последствия; нарушения стабильности "вечной мерзлоты"

(увеличение протаивания грунтов, активизация термокарства) и др.

К положительным факторам следует отнести: увеличение интенсивности

фотосинтез, что может оказывать благоприятное влияние на урожайность многих

сельскохозяйственных культур, а в некоторых регионах – на ведение лесного

хозяйства. Кроме того, такие изменения климата могут оказать воздействие на

речной сток крупных рек, а значит и на водное хозяйство в регионах.

Палеогеографический подход (с учетом климатов прошлого) к данной проблеме

поможет дать прогноз изменений не только климатов, но и других компонентов

биосферы в будущем.

Воздействие на морские экосистемы – оно проявляется в ежегодном

поступлении на акватории водоемов огромного количества загрязняющих веществ

(нефть и нефтепродукты, синтетические поверхностно-активные вещества,

сульфаты, хлориды, тяжелые металлы, радионуклиды и др.). Все это вызывает в

конечном итоге деградацию морских экосистем: эвтрофирование, снижение

видового разнообразия, замена целых классов донной фауны на устойчивые к

загрязнению, мутагенность донных осадков и пр. Результаты экологического

монитора морей России позволили ранжировать последние по степени деградации

экосистем (в порядке убывания масштабов изменений): Азовское – Черное –

Каспийское – Балтийское – Японское – Баренцево – Охотское – Белое –

Лаптевых – Карское – Восточно-Сибирское – Берингово – Чукотское моря.

Очевидно, что наиболее ярко негативные последствия антропогенного

воздействия на морские экосистемы проявляются в южных морях России.

Для решения экологических проблем морей в рамках специальной

Программы комплексного экологического мониторинга океана уже проводятся

широкие исследования с целью прогноза состояния природной среды в бассейнах

южных морей.

Заключение

В заключение из изложенного материала можно сделать вывод, что

однонаправленная деятельность человека может повлечь за собой колоссальные

разрушения в природной экосистеме, что повлечет в дальнейшем большие

затраты на восстановление.

Своей работой я хотел призвать беречь и охранять по возможности

былую красоту окружающей природы.

 

 

Источники загрязнения атмосферы