- •Тема 1.1. Основные положения и понятия в природопользовании
- •1.1. Основные положения и понятия в природопользовании
- •1.2. Природная среда
- •1.2.1. Образование биосферы и её строение
- •1.2.2. Круговорот веществ и энергии в природе
- •1.2.3. Роль и место человека в биосфере
- •1.3. Вода как составная часть биосферы
- •1.3.1. Основные качества воды в литосфере
- •1.3.2. Загрязнение воды и его последствия
- •1.4. Атмосфера земли
- •1.4.1. Значение и свойства атмосферы
- •1.4.2. Строение и состав атмосферы
- •1.4.3. Загрязнение атмосферы и его нормирование
- •1.5. Почвы
- •1.5.1. Значение почв, их состав и свойства
- •1.5.2. Разрушение и загрязнение почв
- •2.6. Качество окружающей среды и его нормирование
- •2.6.1. Оценка качества окружающей среды
- •2.6.2. Нормирование качества окружающей среды
- •2.6.3. Нормативы предельно допустимого уровня радиационного воздействия
- •2.6.4. Нормативы предельно допустимых уровней шума, вибрации, магнитных полей и иных вредных воздействий
- •2.6.5. Комплексные нормативы качества окружающей среды в природопользовании
- •2.7. Мониторинг загрязнения и методы контроля качества окружающей среды
- •2.7.1. Мониторинг загрязнения окружающей среды
- •2.7.2. Методы мониторинга окружающей среды
- •2.7.3. Методы почвенного мониторинга
- •2.7.4. Методы контроля за уровнем загрязнения вод
- •2.7.5. Методы контроля степени загрязнения атмосферы
- •3.8. Основные виды природопользования и их сущность
- •3.8.1. Виды и формы природопользования
- •3.8.2. Лицензирование права деятельности в природопользовании
- •3. 8.3. Лимитирование природопользования
- •3.9. Основы рационального природопользования
- •9.1. Природные ресурсы и их классификация
- •3.9.2. Планирование, управление и прогнозирование использования природных ресурсов
- •3.10. Природозащитные мероприятия
- •3.10.1. Классификация и основные направления природозащитных мероприятий
- •3.10.2. Биотехнологии охраны окружающей среды
- •3.10.3. Использование возобновляемых источников энергии в области защиты окружающей среды
- •3.10.4. Основные направления развития малоотходных и ресурсосберегающих технологий
- •3.11. Глобальные природные и техногенные катастрофы на рубеже хх-хм вв.
- •3.11.1. Чернобыльская катастрофа
- •3.11.2. Катаклизм на Саяно-Шушенской гэс
- •3.11.3. Техногенная катастрофа в Мексиканском заливе
- •3.11.4. Природный катаклизм в Исландия
- •3.12. Международное сотрудничество в области природопользования
- •3.12.1. Национальные и международные природные ресурсы
- •3.12.2. Глобальные экологические проблемы
1.2.2. Круговорот веществ и энергии в природе
Известно, что все вещества в биосфере планеты Земля находятся в процессе биохимического круговорота.
Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).
Большой круговорот длится миллионы лет. Горные породы непрерывно разрушаются, выветриваются, растворяются и потоками вод сносятся в Мировой океан. Здесь образуются мощные морские напластования. При этом часть химических соединений растворяется в воде или потребляется биоценозом.
Процессы, связанные с опусканием материков и поднятием морского дна, перемещением морей и океанов в течение длительного времени, называемые геоктоническими, приводят к возвращению морских напластований на сушу, и это действие начинается вновь.
Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что питательные вещества, содержащиеся в почве, воде и атмосфере, аккумулируются в растениях, расходуются на создание их массы и жизненные процессы в них. Малый круговорот длится сотни лет. Здесь органические вещества под воздействием бактерий разлагаются, распадаются и расщепляются до минеральных компонентов, доступных для питания другим растениям. Таким образом, они вновь вовлекаются в круговоротный поток веществ в природе (биосфере).
Возврат химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и химических реакций называют биохимическим циклом. В этом круговороте веществ участвуют три группы организмов: продуценты, консументы и редуценты.
Продуценты (производители) — автотрофные организмы и растения, которые, используя солнечную энергию, создают первичную продукцию живого вещества. Они потребляют углекислый газ СО2, воду Н2О, соли и выделяют кислород О2. К этой группе также принадлежат некоторые бактерии (хемосептики), способные создавать органическое вещество.
Консументы (потребители) — гетеротрофные организмы, питающиеся за счёт автотрофных организмов и друг друга. В свою очередь они подразделяются на консументы первого (растительноядные), второго (хищники), третьего и четвертого (сверхпаразиты) порядка.
Редуценты (восстановители) — организмы, питающиеся другими (мертвыми) организмами, бактериями и грибами. Здесь особо велика роль микроорганизмов, до конца разрушающих органические остатки и превращающие их в конечные продукты: минеральные соли, углекислый газ, воду, простейшие органические вещества, поступающие в почву и вновь потребляемые растениями.
Следует отметить, что в результате фотосинтеза на земной суше ежегодно образуется от 1,5 до 5,5 млрд. т растительной биомассы, в которой заключено около 4,6 • 1018 кДж солнечной энергии. Весь прирост живого вещества на Земле составляет около 88 млрд. т в год. При этом общая масса живого вещества включает в себя около 500 тыс. различных видов растений и около 2 млн. видов животных [18].
Скорость образования биологического вещества (биомассы), или образование массы вещества в единицу времени, называют продуктивностью экосистемы. Биологические продуктивности суши и океана примерно равны, так как биомасса океана состоит в основном из одноклеточных водорослей, которые обновляются ежегодно. Обновление биомассы суши происходит в течение 15 лет.
Круговорот энергии на Земле связан с круговоротом веществ. На уровне химических элементов и их содержаний наиболее ярко в биосфере проявляется круговорот углерода С как наиболее активного химического элемента, соединения которого непрерывно образуются, изменяются и разрушаются. Основной путь углерода — от углекислого газа в живое вещество и обратно в газ.
Часть углерода выходит из круговорота, оседая в осадочных породах океана или в ископаемых горючих веществах органического происхождения (торф, каменный уголь, нефть, горючие газы), где уже аккумулирована его основная масса. И тогда этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. Обмен углекислым газом происходит также между атмосферой и океаном. В верхних слоях океана растворено большое количество углекислого газа, который находится в равновесии с атмосферным. Всего в гидросфере содержится около 13 • 1013т растворённого углекислого газа, а в атмосфере — в 60 раз меньше.
Важную роль в биосферных процессах играет круговорот азота N. В них участвует только азот, входящий в определённые химические соединения. Общее время оборота азота в большом круговороте оценивается более чем в 100 лет.
Фиксация азота в химических соединениях происходит при вулканической деятельности, при грозовых разрядах в атмосфере, в процессе её ионизации, при сгорании материалов. Определяющее значение в его фиксации имеют микроорганизмы.
Соединения азота (нитраты, нитриты) в растворах поступают в растения, участвуя в образовании органического вещества (аминокислоты, сложные белки). Часть соединений азота выносится в реки и моря, проникает в подземные воды. Из соединений, растворённых в морской воде, азот поглощается водными организмами, а после их отмирания вновь возвращается в воды океана. Поэтому концентрация азота в верхних слоях океана заметно возрастает.
Одним из важнейших элементов биосферы является фосфор F, входящий в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, костной ткани. Фосфор также участвует в малом и большом круговоротах, усваивается растениями. В воде фосфаты натрия и кальция растворяются плохо, а в щелочной среде они практически не растворимы.
Ключевым элементом биосферы является вода Н2О. Круговорот воды происходит путём испарения её с поверхности водоёмов и суши в атмосферу, а затем переносится воздушным массами, конденсируется и выпадает в виде осадков (рис. 1).
Средняя продолжительность общего цикла обмена углерода, азота и воды, вовлечённых в биологический круговорот, составляет 300—400 лет. В соответствии с этой скоростью освобождаются минеральные соединения, связанные с биомассой.
Известно, что различные вещества имеют разную скорость обмена в биосфере. К подвижным веществам относят хлор, серу, бром, фтор. К пассивным - кремний, калий, фосфор, медь, никель, алюминий и железо. Круговорот всех биогенных элементов происходит на уровне биогеоценоза. От того, насколько регулярно и полно осуществляется круговорот химических элементов, зависит продуктивность биогеоценоза.
Скорость биоценных элементов в малом круговороте достаточно велика. Так, например, время оборота атмосферного углерода в малом круговороте составляет около 8 лет, а в большом -400 лет.