Тема: Антропогенное воздействие на биосферу
1. Современное состояние природной среды
2. Атмосфера — внешняя оболочка биосферы. Загрязнение атмосферы
3. Почва – биокосная система. Загрязнение почвы.
4. Вода – основа жизненных процессов в биосфере. Загрязнение природных вод
1. Современное состояние природной среды
Рассмотрим некоторые черты современного состояния био¬сферы и процессы, происходящие в ней.
Глобальные процессы образования и движения живого вещества в биосфере связаны и сопровождаются круговоро¬том огромных масс вещества и энергии. В отличие от чисто геологических процессов биогеохимические круговороты (циклы) с участием живого вещества имеют значительно бо¬лее высокие интенсивность, скорость и количество вовле¬ченного в оборот вещества.
Человек и биосфера. Как уже говорилось, с появлением и развитием человечества процесс эволюции заметно видо¬изменился.
Рост населения и интенсивное развитие сельского хозяй¬ства, промышленности, строительства, транспорта вызвали массовое уничтожение лесов и травяного покрова, к эрозии (разрушению) почвенного слоя. Истреблены десятки видов животных.
Строительство и эксплуатация промышленных предпри¬ятий, добыча полезных ископаемых привели к серьезным нарушениям природных ландшафтов, загрязнению почвы, воды, воздуха различными отходами.
Настоящие сдвиги в биосферных процессах начались в XX в. в результате очередной промышленной революции. Интенсивность потребления человечеством энер¬гии и материальных ресурсов растет пропорционально чис¬ленности населения и даже опережает его прирост.
Предупреждая о возможных последствиях расширяюще¬гося вторжения человека в природу, еще полвека назад ака¬демик В. И. Вернадский писал: «Человек становится геоло¬гической силой, способной изменить лик Земли». Это преду¬преждение пророчески оправдалось. Последствия антропо¬генной (производимой человеком) деятельности проявляются в истощении природных ресурсов, загрязнении биосферы от¬ходами производства, разрушении природных экосистем, из¬менении структуры поверхности Земли, изменении климата. Антропогенные воздействия приводят к нарушению практи¬чески всех природных биогеохимических циклов.
В результате сжигания различного топлива в атмосферу ежегодно выбрасывается около 20 млрд т углекислого газа и поглощается соответствующее количество кислорода. При¬родный запас С02 в атмосфере составляет величину порядка 50 000 млрд т.
Выброс в атмосферу промышленных газов, включающих такие соединения, как окись углерода СО (угарный газ), окислы азота, серы, аммиака и других загрязнителей, приводит к угнетению жизнедеятельности растений и живот¬ных, нарушениям обменных процессов, к отравлению и ги¬бели живых организмов. Загрязнение природной среды – это появление в природной среде новых компонентов, вызванное деятельностью чело¬века или какими-либо грандиозными природными явле¬ниями (например, вулканической деятельностью). В общем виде загрязнение — это наличие в окружающей среде вредных веществ, нару¬шающих функционирование экологических систем или их отдельных элементов и снижающих качество среды с точки зрения проживания человека или ведения им хозяйствен¬ной деятельности.
К загрязнителям относят все те вещества, явления, про¬цессы, которые в данном месте, но не в то время и не в том количестве, какое естественно для природы, появляются в окружающей среде и могут выводить ее системы из состоя¬ния равновесия (рис. 1).
Рис. 1. Загрязнители окружающей природы
Экологическое действие загрязняющих агентов может проявляться по разному; оно может затрагивать либо от¬дельные организмы (проявляться на организменном уров¬не), либо популяции, биоценозы, экосистемы и даже био¬сферу в целом.
На организменном уровне могут происходить нарушение отдельных физиологических функций организмов, измене¬ние их поведения, снижение темпов роста и развития, сни¬жение устойчивости к воздействиям иных неблагоприят¬ных факторов внешней среды.
На уровне популяций загрязнение может вызывать изме¬нения их численности и биомассы, рождаемости и смертно¬сти, а также изменения структуры, годовых циклов мигра¬ций и ряда других функциональных свойств.
На биоценотическом уровне загрязнение сказывается на структуре и функциях сообществ. Одни и те же загрязняю¬щие вещества поразному влияют на разные компоненты со¬обществ. Соответственно меняются количественные соотно¬шения в биоценозе, вплоть до полного исчезновения одних форм и появления других.
В конечном счете происходит деградация экосистем, ухудшение их как элементов среды человека, снижение по¬ложительной роли в формировании биосферы, обесценива¬ние в хозяйственном отношении.
Различают природное и антропогенное загрязнения. Природное загрязнение возникает в результате естествен¬ных причин: извержения вулканов, землетрясений, катаст¬рофических наводнений и пожаров. Антропогенное загряз¬нение — результат деятельности человека.
Загрязняющие вещества, возникшие в результате хозяй¬ственной деятельности человека, и их влияние на среду очень разнообразны. К ним относятся: соединения углеро¬да, серы, азота, тяжелые металлы, различные органические вещества, искусственно созданные материалы, радиоактив-ные элементы и многое другое.
Каждый загрязнитель оказывает определенное отрица¬тельное воздействие на природу, поэтому их поступление в окружающую среду должно строго контролироваться. Зако¬нодательство устанавливает для каждого загрязняющего вещества предельно допустимый сброс (ПДС) и предельно допустимую концентрацию (ПДК) его в природной среде.
Предельно допустимый сброс (ПДС) — это масса за¬грязняющего вещества, выбрасываемого отдельными источ¬никами за единицу времени, превышение которой приводит к неблагоприятным последствиям в окружающей среде или опасно для здоровья человека.
Предельно допустимая концентрация (ПДК) понима¬ется как количество вредного вещества в окружающей сре¬де, которое не оказывает отрицательного воздействия на здоровье человека или его потомство при постоянном или временном контакте с ним.
Специальные службы мониторинга (наблюдения) окружаю¬щей среды осуществляют контроль за соблюдением установлен¬ных нормативов ПДС и ПДК вредных веществ.
Быстрый рост потребностей в топливе, металлах, минераль¬ном сырье и их добыче ведут к истощению этих ресурсов.
Земли способна к саморегуляции, она может вы¬держать и исправить результаты неразумного вмешательства человека. Но всему есть предел. Сегодня мы достигли этого предела и стоим на краю экологической пропасти.
1. Атмосфера — внешняя оболочка биосферы. Загрязнение атмосферы
Наличие вокруг земного шара атмосферы определяет общий тепло¬вой режим поверхности нашей планеты, защищает ее от вредных космического и ультрафиолетового излучений. Циркуляция атмосферы оказывает влияние на местные кли¬матические условия, а через них — на режим рек, почвенно-растительный покров и на процессы рельефообразования.
Современный газовый состав атмосферы — результат дли¬тельного исторического развития земного шара. Он представ¬ляет собой в основном газовую смесь двух компонентов — азо¬та (78,09%) и кислорода (20,95%). В норме в нем присутству¬ют также аргон (0,93%), углекислый газ (0,03%) и незначи¬тельные количества инертных газов (неон, гелий, криптон, ксенон), аммиака, метана, озона, диоксидов серы и других га¬зов. Наряду с газами в атмосфере содержатся твердые части¬цы, поступающие с поверхности Земли (например, продукты горения, вулканической деятельности, частицы почвы) и из космоса (космическая пыль), а также различные продукты растительного, животного или микробного происхождения. Кроме того, важную роль в атмосфере играет водяной пар.
Наибольшее значение для различных экосистем имеют три газа, входящих в состав атмосферы: кислород, углекис¬лый газ и азот. Эти газы участвуют в основных биогеохими¬ческих круговоротах.
Кислород играет важнейшую роль в жизни большинства живых организмов на нашей планете. Он необходим всем для дыхания. Кислород не всегда входил в состав земной атмо¬сферы. Он появился в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов. Под действием ультрафиолето¬вых лучей кислород (02) превращался в озон (его молекула содержит три атома кислорода — 03). По мере накопления озона произошло образование озонового слоя в верхних слоях атмосферы. И теперь озоновый слой, как экран, надежно за¬щищает поверхность Земли от ультрафиолетовой солнечной радиации, гибельной для живых организмов.
Главные запасы кислорода сосредоточены в карбонатах, в органических ве¬ществах и оксидах, часть кислорода растворена в воде. В ат¬мосфере, по-видимому, сложилось приблизительное равнове¬сие между производством кислорода в процессе фотосинтеза и его потреблением живыми организмами. Круговорот кислорода в биосфере необычайно сложен, так как с ним вступает в реакцию большое количество орга¬нических и неорганических веществ, а также водород, со¬единяясь с которым кислород образует воду. Схема кругово¬рота кислорода показана на рисунке 2
Рис. 2. Круговорот кислорода в биосфере
Углекислый газ (диоксид углерода) используется в про¬цессе фотосинтеза для образования органических веществ. Как и кислород, углерод входит в со¬став почв, растений, животных, участвует в многообразных механизмах круговорота веществ в природе (рис. 3).
Рис. 3 Круговорот углерода в биосфере.
Со¬держание углекислого газа (С02) в воздухе, который мы вдыхаем, примерно одинаково в различных районах планеты. Исключение составляют крупные города, в которых со¬держание этого газа в воздухе бывает выше нормы.
Азот — незаменимый биогенный элемент (N2), посколь¬ку он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Атмо¬сфера неисчерпаемый резервуар азота, однако основная часть живых организмов не может непосредственно использовать этот азот: он должен быть предварительно связан в виде химических соединений.
Частично азот поступает из атмосферы в экосистемы в виде оксида азота, образующегося под действием электри¬ческих разрядов во время гроз. Однако основная часть азота поступает в воду и почву в результате его биологической фиксации. Существует несколько видов бактерий и сине-зеленых водорослей (к счастью, весьма многочисленных), ко¬торые способны фиксировать азот атмосферы. В результате их деятельности, а также благодаря разложению органиче¬ских остатков в почве растения-автотрофы получают воз¬можность усваивать необходимый азот.
Круговорот азота (рис. 4) тесно связан с круговоротом углерода.
Рис. 4. Круговорот азота в биосфере
Загрязнение атмосферы. Различные негативные изменения атмосферы Земли связаны, главным образом с изменением кон¬центрации второстепенных компонентов атмосферного воздуха.
Существует два главных источника загрязнения атмо¬сферы: естественный и антропогенный.
Естественный источник — это вулканы, пыльные бури, выветривание, лесные пожары, процессы разложения рас¬тений и животных.
К основным антропогенным источни¬кам загрязнения атмосферы относятся предприятия топ¬ливно-энергетического комплекса, транспорт, различные машиностроительные предприятия (рис. 5).
Рис. 5. Загрязняющие атмосферу выбросы промышленных предпри¬ятий
Сегодня уже ясно, что любая человеческая деятельность, влияющая на физические свойства или химический состав атмосферы, может вызвать серьезные последствия, в том числе глобальные изменения климата на планете.
3. Почва — биокосная система. Загрязнение почвы
Почва — верхний слой суши, образовавшийся под влияни¬ем растений, животных, микроорганизмов и климата из ма¬теринских горных пород, на которых он находится (рис. 6). Это важный и сложный компонент биосферы, тес¬но связанный с другими ее частями.
В почве сложным образом взаимо¬действуют следующие основные ком-поненты:
— минеральные частицы (песок, глина), вода, воздух;
— детрит — отмершее органиче¬ское вещество, остатки жизнедея¬тельности растений и животных;
— множество живых организмов от детритофагов до редуцентов, разлагающих детрит до гумуса.
Рис. 6, Строение почвы (в разрезе): 1 — подстил¬ка; 2 — перегной; 3 — слой вымывания; 4 — слой накопления мине¬ральных солей; 5 — под¬почва
Таким образом, почва — биокос¬ная система, основанная на дина-мическом взаимодействии между минеральными компонентами, дет-ритом, детритофагами и почвенны¬ми организмами (рис. 7).
Рис. 7. Компоненты почвы
В своем развитии и формировании почвы проходят несколько этапов. Молодые почвы являются обычно ре¬зультатом выветривания материн¬ских горных пород или переноса от¬ложения осадков (например, аллюния). На этих субстратах поселяются микроорганизмы, ли¬шайники, мхи, травы, мелкие животные. Постепенно внедряются другие виды растений и животных, состав био¬ценоза усложняется, между минеральным субстратом и жи¬выми организмами возникает целая серия взаимосвязей. В результате формируется зрелая почва, свойства которой за¬висят от исходной материнской породы и климата.
Процесс развития почвы заканчивается, когда достигает¬ся равновесие, соответствие почвы с растительным покро¬вом и климатом, то есть возникает состояние стабильности.
Каждому типу почв соответствуют определенные типы растительных сообществ.
Поверхностные слои почвы обычно содержат много ос¬татков растительных и животных организмов, разложение которых приводит к образованию гумуса. Количество гуму¬са определяет плодородие почвы.
В почве обитает великое множество различных живых организмов, формирующих сложную пищевую детритную сеть: бактерии, микрогрибы, водоросли, простейшие, мол¬люски, членистоногие и их личинки, дождевые черви и многие другие. В естественных условиях происхо¬дит постоянный круговорот веществ в почве.
Загрязнение почв. В нормальных естественных услови¬ях все процессы, происходящие в почве, находятся в равно¬весии. Но нередко в нарушении равновесного состояния почвы повинен человек. В результате развития хозяйствен¬ной деятельности человека происходит загрязнение, изме¬нение состава почвы и даже ее уничтожение.
Уничтожение лесов и естественного травянистого покро¬ва, многократная распашка земли без соблюдения правил агротехники приводят к возникновению эрозии почвы — разрушению и смыву плодородного слоя водой и ветром. Различают несколько видов эрозии почв (рис. 8).
Рис. 8. Эрозия почвы
Современная наука и практика разработала меры борьбы с эрозией. Важнейшие противоэрозионные мероприятия сравнительно просты — распашка поперек склона, мини¬мальное нарушение структуры почвы тяжелой техникой, введение севооборотов, сохранение растительного покрова. Более сложные и дорогие — борьба с оврагами, посадка ле-созащитных полос, рекультивация (от лат. — повторно и обрабатываю) земель.
Одним из последствий усиления производственной дея¬тельности человека является интенсивное загрязнение поч¬венного покрова. В роли основных загрязнителей почв вы¬ступают металлы и их соединения, радиоактивные элемен¬ты, а также удобрения и ядохимикаты, применяемые в сельском хозяйстве.
К наиболее опасным загрязнителям почв относят ртуть и ее соединения. Ртуть поступает в окружающую среду с ядохими¬катами, с отходами промышленных предприятий, содержа¬щими металлическую ртуть и различные ее соединения.
Еще более массовый и опасный характер носит загрязне¬ние почв свинцом.
Вблизи крупных центров черной и цветной металлургии почвы загрязнены железом, медью, цинком, марганцем, никелем, алюминием и другими металлами. Во многих мес¬тах их концентрация в десятки раз превышает ПДК.
Радиоактивные элементы могут попадать в почву и нака¬пливаться в ней в результате выпадения осадков от атом¬ных взрывов или при удалении жидких и твердых отходов промышленных предприятий, АЭС или научно-исследова¬тельских учреждений, связанных с изучением и использо¬ванием атомной энергии. Радиоактивные вещества из почв попадают в растения, затем в организмы животных и чело¬века, накапливаются в них.
4. Вода — основа жизненных процессов в биосфере.
Загрязнение природных вод
Вода — самое распространенное неорганическое соединение на нашей планете. Вода — основа всех жизненных процес¬сов, единственный источник кислорода в главном движу¬щем процессе на Земле — фотосинтезе. Вода присутствует во всей биосфере: не только в водоемах, но и в воздухе, и в почве, и во всех живых существах. Последние содержат до 80—90% воды в своей биомассе. Потери 10—20% воды жи¬выми организмами приводят к их гибели. В естественном состоянии вода никогда не свободна от примесей. В ней растворены различные газы и соли, нахо¬дятся взвешенные твердые частички. В 1 л пресной воды может содержаться до 1 г солей.
Большая часть всей воды на нашей планете сосредоточе¬на в морях и океанах. Запас пресной воды составляет всего 2%. Большая часть пресных вод (85%) сосредоточена во льдах полярных зон и ледников. Возобновление пресных вод происходит в результате круговорота воды. Круговорот воды в биосфере происходит следующим об¬разом (рис. 9).
Рис. 9. Круговорот воды в природе
Один из основных путей круговорота во¬ды — транспирация, то есть биологическое испарение, осу¬ществляется растениями, поддерживая их жизнедеятель¬ность. Количество воды, выделяющееся в результате транспирации, зависит от вида растений, типа растительных со¬обществ, их биомассы, климатических факторов, времени года и других условий.
В среднем для растительных сооб¬ществ умеренного климата транспирация составляет от 2000 до 6000 м воды в год.
Величина суммарного испарения (с почвы, с поверхности растений и через транспирацию) зависит от физиологиче¬ских особенностей растений и их биомассы, поэтому служит косвенным показателем жизнедеятельности и продуктивно¬сти сообществ. Растительность, в целом; выполняет роль грандиозного испарителя, существенно влияя при этом на климат территории. Растительный покров ландшафтов, особенно леса и болота, имеет также огромное водоохранное и водорегулирующее значение, смягчая перепады стока (па¬водки), способствуя удержанию влаги, препятствуя иссуше¬нию и эрозии почв.
Загрязнение природных вод.
Под загрязнением водо¬емов понимается снижение их биосферных функций и экономического значения в результате поступления в них вред¬ных веществ
Одним из основных загрязнителей воды является нефть и нефтепродукты.
Из других загрязнителей необходимо назвать металлы (на¬пример ртуть, свинец, цинк, медь, хром, олово, марганец), радиоактивные элементы, ядохимикаты, поступающие с сельскохозяйственных полей, и стоки животноводческих ферм. Наибольшую опасность для водной среды из металлов представляют ртуть, свинец и их соединения (рис. 10).
Рис. 10. Загрязнение природных вод (сброс отходов в водоем)
Нефть может попадать в воду в результа¬те естественных ее выходов в районах залегания. Но основ¬ные источники загрязнения связаны с человеческой дея¬тельностью: нефтедобычей, транспортировкой, переработ¬кой и использованием нефти в качестве топлива и промыш-ленного сырья.
В загрязненной воде с повышением температуры начина¬ют бурно размножаться болезнетворные микроорганизмы и вирусы. Попав в питьевую воду, они могут вызвать вспыш¬ки различных заболеваний.
Ограниченные запасы пресной воды еще больше сокра¬щаются из-за их загрязнения. Главную опасность представ¬ляют сточные воды (промышленные, сельскохозяйственные и бытовые), поскольку значительная часть использованной воды возвращается в водные бассейны в виде сточных вод.
Задание
1. Какую работу выполняют службы мониторинга окружающей среды?
2. Выясните основные источники загрязнения атмосферы в вашей местности. Исследуйте растения, обитающие вблизи автострад, промышленных объектов. Какие из них в большей степени страдают от загрязнения атмосферы, какие повреждения у них появляются?
|
