УМП ЭКОЛОГИЯ

Попав в атмосферу, ХФУ медленно всплывают вверх: газам, выделяющимся на поверхности Земли, требуется пять-шесть лет, чтобы достигнуть стратосферы. Под воздействием излучения УФ-Б в стратосфере из молекулы ХФУ высвобождается атом хлора. Реагируя с молекулой озона O3, атом хлора расщепляет ее и образует обычную молекулу кислорода O2 плюс молекулу окиси хлора Cl+O, ни одна из которых не поглощает излучение УФ-Б.

Изолированный атом кислорода O может вступать в реакцию с окисью хлора, высвобождая атом хлора и образуя обычную молекулу кислорода O2. Высвободившийся хлора теперь может расщепить еще одну молекулу озона O3. Один атом хлора способен повторять этот цикл много тысяч раз, уничтожая много тысяч молекул озона.

16 сентября 1987 года представители 24 государств подписали Монреальский протокол о веществах, разрушающих озоновый слой, ограничивающий производство и применение около 100 веществ, которые уничтожают стратосферный озон. Это соглашение уже ратифицировала 191 страна. (В 1978 году Соединенные Штаты запретили использование ХФУ в качестве пропеллентов практически во всей аэрозольной продукции, изготавливаемой в США.)

4 Гидросфера, ее состав и структура. Загрязнение водной среды

Гидросфера (hydor – вода, sphaira – шар) – это совокупность всех вод Земли: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических, атмосферных.

Внастоящее время можно считать, что в морской воде присутствуют все химические элементы таблицы Менделеева. Однако преобладающая часть растворенных веществ сложена немногими химическими элементами:

O (85,7 %), H(10,8 %), Cl (1,9 %), Na (1,05 %), Mg(0,13 %), S (0,088 %), Са

(0,04 %). Некоторые из элементов, несмотря на относительно низкую концентрацию, играют важную роль в химических процессах моря и в морских организмах. В этом отношении ведущая роль принадлежит кремнию (3 10-5 %), азоту (1 10-5 %) и фосфору (7 10-5 %), которые усваиваются живыми организмами, и их концентрация в морской воде контролируется ростом и размножением морских животных и растений.

Вморях и океанах выражена вертикальная зональность. Особенно сильно различаются по экологии пелагиаль – вся толща воды, и бенталь – дно.

Толща воды – пелагиаль, по вертикали делится на несколько зон: эпипелигеаль, батипелигеаль, абиссопелигиаль и ультраабиссопелигиаль.

Взависимости от крутизны спуска и глубины на дне тоже выделяют несколько зон, которым соответствуют указанные зоны пелагиали:

литоральная – кромка берега, заливаемая во время приливов;

71

супралиторальная – часть берега выше верхней приливной черты, куда долетают брызги прибоя;

сублиторальная – плавное понижение суши до 200м;

батиальная – крутое понижение суши (материковый склон);

абиссальная – плавное понижение дна океанского ложа; глубина обеих зон вместе достигает 3 – 6 км;

ультраабиссальная – глубоководные впадины 6 – 10 км. Загрязняющие вещества, поступающие в природные воды, вызывают

изменение физических свойств воды (нарушение первоначальной прозрачности и окраски, появление неприятных запахов и привкусов и т.п.); изменение химического состава воды, в частности, появление в ней вредных веществ; появление плавающих веществ на поверхности воды и отложения на дне; сокращение в воде количества растворенного кислорода вследствие расхода его на окисление поступающих в водоем органических веществ загрязнения; появление новых бактерий, в том числе и болезнетворных.

Из-за загрязнения природных вод они оказываются непригодными для питья, купания, водного спорта и технических нужд. Особенно пагубно оно влияет на рыб, водоплавающих птиц, животных и другие организмы, которые заболевают и гибнут в больших количествах.

На качественный и количественный состав вод в водоемах оказывает влияние: 1) миграция химических загрязнений из атмосферы; 2) поступление загрязняющих веществ в водоемы с бытовыми, промышленными и сельскохозяйственными стоками; 3) поверхностный сток (дождевые, талые воды).

Сточные воды — это воды, отводимые после использования в бытовой и производственной деятельности человека.

Загрязнения, поступающие в сточные воды, можно условно разделить на несколько групп. Так, по физическому составу выделяют нерастворенные, коллоидные и растворенные примеси. Кроме того загрязнения делятся на минеральные, органические, бактериальные и биологические.

Минеральные представлены песком, глинистыми частицами, частицами руды, шлака, минеральных солей, растворами кислот и щелочей и другими веществами.

Органические загрязнения подразделяются по происхождению на растительные, животные, химические вещества.

Бактериальное и биологическое загрязнения присущи, главным образом, бытовым и животноводческим водам и стокам некоторых промышленных предприятий.

Бытовые сточные воды включают воды от банно-прачечных хозяйств, пищеблоков, больниц и т. д., содержащие в своем составе детергенты. Детергенты – поверхностно-активные синтетические вещества, используемые в составе моющих средств и эмульгаторов, с трудом подвергаются разложению микроорганизмами.

72

Сельскохозяйственные стоки — это стоки животноводческих комплексов и стоки, образуемые при вымывании агрохимикатов и минеральных удобрений за пределы пахотного слоя в водоем (поверхностный сток). Для животноводческих стоков характерно ярко выраженное бактериальное и органическое загрязнение растительного и животного происхождения, а также загрязнение аммиачными соединениями. Поверхностные стоки загрязняются минеральными удобрениями, пестицидами, ядохимикатами, минеральными примесями.

Эвтрофикация водоемов – обогащение водоема биогенами, стимулирующее рост фитопланктона. Результатом является помутнение воды, гибель бентосных растений, снижение концентрации растворенного кислорода, недостаток его для глубоководных рыб и моллюсков. Эвтрофикация может происходить даже в медленно текущих пресных водах. Чем больше органических веществ поступает в озеро, тем больше требуется кислорода (поэтому комплексными характеристиками загрязнения воды органическими веществами служит биологическое (БПК) и химическое (ХПК) потребление кислорода) для перевода их в неорганические соединения.

Эвтрофикация представляет собой смену богатой экосистемы, основанной на бентосной растительности, на простую, основанную на фитопланктоне.

Вгеологических масштабах времени водоемы постоянно обогащаются биогенами и заполняются поступающими с суши наносами. За многие столетия в озере накапливаются ил и детрит, постепенно заполняющие первоначально глубокую чащу озера.

Эвтрофикация – составная часть естественного процесса, называемого сукцессией. За несколько тысяч лет озеро может измениться естественным путем: «состариться». Однако антропогенная деятельность приводит к аналогичным последствиям всего за несколько десятилетий. Поэтому принято говорить об антропогенной эвтрофикации, противопоставляя ее естественной. Эвтрофикация – хороший пример того, что не все негативные проблемы современности связаны с промышленным выбросом «ядовитых» соединений, т. к. в рассматриваемом случае часто причиной является поступление в природную экосистему таких «безвредных» веществ, как частицы почвы и питательные вещества. На данном примере отчетливо видно, что изменение любого экологического фактора может нарушить равновесие в экосистеме.

Впромышленном производстве вода используется как теплоноситель, поглотитель, средство транспортировки, для охлаждения. Кроме химического загрязнения, вода способствует и тепловому загрязнению водоема. Тепловое загрязнение поверхности водоемов и прибрежных морских акваторий возникает в результате сброса нагретых сточных вод электростанциями и некоторыми промышленными производствами. Сброс нагретых вод во многих случаях обуславливает повышение температуры

73

воды в водоемах на 6 – 8 градусов Цельсия. Площадь пятен нагретых вод в прибрежных районах может достигать 30 км2. Более устойчивая температурная стратификация препятствует водообмену поверхностным и донным слоям. Растворимость кислорода уменьшается, а потребление его возрастает, поскольку с ростом температуры усиливается активность аэробных бактерий, разлагающих органическое вещество. Усиливается видовое разнообразие фитопланктона и всей флоры водорослей.

5 Литосфера, ее состав и структура. Разрушение почвенного покрова

Литосфера (от греч. litos – камень, sphaira – шар) – верхняя «твердая» (каменная) оболочка Земли, постепенно переходящая с глубиной в сферы с меньшей прочностью вещества. Она включает в себя земную кору и часть верхней мантии Земли.

Характерная особенность верхней мантии – ее расслоенность. На глубине около 100 км под материками 50 км под океанами ниже подошвы земной коры находится астеносфера (от греч. asthenes – слабый, sphaira – шар) (слой Гутенберга). Предполагают, что вещество там находится в тердожидком состоянии: твердые гранулы окружены пленкой расплава. Выше астеносферы породы мантии находятся в твердом состоянии и совместно с земной корой находится литосфера, мощность которой составляет 50 – 200 км, в том числе земной коры – до 75 км на континентах и 10 км под дном океана. Ниже астеносферы располагается слой, в котором плотность вещества возрастает; слой назван в честь русского ученого Б. Б. Голицына, впервые указавшего на его существование: состоит из сверхплотных разновидностей кремнезема и силикатов.

Верхняя часть земной коры, постоянно видоизменяемая под влиянием механического и химического воздействий погодно-климатических факторов, растений и животных, выделяется в отдельный слой, называемый корой выветривания. В настоящее время установлено, что более чем на 80 % земная кора состоит из кислорода, кремния и алюминия (таблица 2.5).

Таблица 2 5 – Кларки наиболее распространенных химических элементов

Химический элемент			Химический элемент
наименование	символ	Кларк, %	наименование		символ	Кларк, %
Кислород	O	46,6 – 49,1	Натрий		Na	2,01 – 2,83
Кремний	Si	26,0 – 29,5	Калий		K	2,35 – 2,59
Алюминий	Al	7,45 – 8,14	Магний		Mg	1,79 – 2,35
Железо	Fe	4,20 – 5,00	Водород		H	до 1
Кальций	Ca	2,71 – 3,63	ИТОГО			более 99%

74

Менее всего земная кора содержит инертных газов – гелия, неона и радона, что связано с их высокой подвижностью: они легко переходят в атмосферу, откуда рассеиваются в космическом пространстве.

Органический состав формируется из соединений, содержащихся в большом количестве в растительных и животных остатках. Это белки, углеводы, органические кислоты жиры, лигнин, дубильные вещества и др., в сумме составляющие 10 – 15 % от всей массы органического вещества в почве. При разложении органических веществ содержащийся в них азот переходит в формы, доступные растениям. Органические вещества играют важную роль в почвообразовании, определяют величину поглотительной способности почв, воздействуют на структуру верхних горизонтов почвы и ее физические свойства.

Органическое вещество почвы образуется при разложении мертвых организмов, их частей (например, опавших листьев), фекалий и т. п. Мертвый органический материал используется в пищу совместно детритофагами и редуцентами (грибами и бактериями), завершающими процесс разложения. Не полностью разложившиеся остатки органики называют подстилкой, а конечный продукт разложения, в котором невозможно различить первоначальный материал, – гумусом.

Гумус – аморфное органическое вещество почвы, образующееся в результате разложения растительных и животных остатков и продуктов жизнедеятельности организмов, причем утратившее тканевую структуру (иногда в качестве синонима «гумусу» указывается термин «перегной», однако это не точно. Перегной в понимании «грубый гумус» допускает наличие остатков организмов, не утративших тканевую структуру, а перегной в широком смысле даже не исключает наличие в нем живых организмов – низших (микроорганизмов) и высших (личинок насекомых и др.)).

По химическому составу – это сложная смесь разнообразных органических молекул. Гумус состоит из гуминовых кислот, фульвокислот, гумина и ульмина; имеет цвет от темно-бурого до черного.

По агрегатному состоянию гумус похож на глину; и то и другое находится в коллоидном состоянии. Отдельные его частицы прочно прилипают к глине, образуя глино-гумусовый комплекс. Гумуса в верхних горизонтах почвы содержится от десятых долей до 18 % (в черноземных почвах), а мощность гумусовых горизонтов от нескольких сантиметров до

1,5 м.

Разрушение почвенного покрова. Процесс смыва почвы текущей водой называется эрозией. Аналогичный процесс, производимый ветром, называется дефляцией.

Эрозию при стоке воды подразделяют на поверхностную – смыв плодородного слоя и подстилающей породы со всей поверхности почвы и линейную – смыв почвы и подстилающей породы по определенной линии.

75

Не меньшие, если не большие потери причиняет почвам ирригационная эрозия – разрушение, перенос и переотложение почв и грунтов оросительной водой в процессе поверхностного полива или дождевания. Накладываясь на естественную эрозию, ирригационная эрозия значительно увеличивает интенсивность потерь верхнего, наиболее плодородного слоя почвы.

Как и другие виды эрозии, ирригационная зависит во многом от сочетания ряда природных и антропогенных факторов, главными из которых являются уклоны территории и несоответствие между техникой и способом полива и особенностями рельефа.

Смыв почвы в условиях орошения начинает проявляться уже при малых (0,002 – 0,004 м) уклонах рельефа, а эрозионно опасны уклоны больше

0,01 м.

Наряду с уклоном орошаемой территории причиной ирригационной эрозии являются низкая водопроницаемость почв и их невысокая противоэрозионная устойчивость.

Эродированные почвы на орошаемых участках отличаются обесструктуренностью, высокой плотностью, низкой водопроницаемостью и влагоемкостью.

Дефляция различается на повседневную, когда почва пылит под ветром малой скорости, и вызываемую ветрами большой, иногда ураганной скорости (пыльные бури). В последнем случае в воздушный поток вовлекаются огромные массы пыли.

К причинам повседневной дефляции следует отнести и неоправданно высокий процент распаханности территорий, и действие почвообрабатывающих механизмов, которые выбивают мелкозем из верхнего горизонта почвы.

Засоленные почвы содержат в своем профиле легкорастворимые соли в количествах, токсичных для сельскохозяйственных культур. Их формирование происходит в тех районах, где состав грунтовых вод и почвообразующих пород, а также режим увлажнения способствуют поступлению в почву легкорастворимых солей и их последующей аккумуляции.

Большие количества растворимых солей образуются в результате выветривания горных пород, при извержениях вулканов, при выходе на поверхность отдельных участков морского дна, покрытых соленосными отложениями.

Однако основную роль в соленакоплении играет водный режим, который, в свою очередь, зависит от климата и фильтрационных свойств почвы и почвообразующих пород.

При промывном водном режиме легкорастворимые соли выносятся за пределы почвенного профиля с фильтрующимися водами и не накапливаются в почве. В районах с засушливым климатом, где испаряемость намного превышает количество выпадающих осадков, создаются условия для перемещения грунтовых вод и почвенных растворов

76

из нижних горизонтов в верхние. Вместе с ними мигрируют к поверхности почвы растворимые соли, которые аккумулируются в корнеобитаемом слое.

Использовать в сельском хозяйстве засоленные почвы возможно только после их коренной мелиорации.

Однако именно мелиорации, включающие сложный комплекс приемов, регулирующих основные факторы роста, развития и плодоношения растений, могут в ряде случаев вызывать засоление почв или усиливать его.

Одним из основных видов сельскохозяйственных мелиорации является орошение сельскохозяйственных угодий в зонах с засушливым климатом.

Однако при неправильном орошении происходит засоление сельскохозяйственных земель, называемое вторичным засолением. Основная причина этого явления – использование для орошения малопригодной воды.

Другой причиной вторичного засоления почв являются переполивы. Избыточная влага, не использованная растениями, фильтруется сквозь толщу почвогрунтов и повышает уровень грунтовых вод. В жаркий период минерализованные грунтовые воды подтягиваются к дневной поверхности и испаряются, оставляя содержащиеся в них соли в корнеобитаемом слое почвы.

Опустынивание или дезертификация – деградация земель в аридных, полуаридных (семиаридных) и засушливых (субгумидных) областях земного шара, вызванное как деятельностью человека (антропогенными причинами), так и природными факторами и процессами. Термин «климатическое опустынивание» был предложен в 1940-х годах французским исследователем Обервилем. Понятия «земля» в данном случае означает биопродуктивную систему, состоящую из почвы, воды, растительности, прочей биомассы, а также экологические и гидрологические процессы внутри системы. Деградация земель – снижение или потеря биологической и экономической продуктивности пахотных земель или пастбищ в результате землепользования. Характеризуется иссушением земли, увяданием растительности, снижением связанности почвы, в результате чего становится возможной быстрая ветровая эрозия и образование пылевых бурь. Опустынивание относится к труднокомпенсируемым последствиям климатических изменений, так как на восстановление одного условного сантиметра плодородного почвенного покрова уходит в аридной зоне в среднем от 70 до 150 лет. Последствия опустынивания в экологическом и экономическом отношении очень существенные и почти всегда отрицательные. Уменьшается производительность сельского хозяйства, сокращаются разнообразие видов и количество животных, что особенно в бедных странах приводит к ещё большей зависимости от природных ресурсов. Опустынивание ограничивает доступность элементарных услуг экосистемы и угрожает безопасности людей.

Заболачивание почвы – почвообразовательный процесс, приводящий к избыточному увлажнению почвы. Начинается с изменения водновоздушного режима, накопления влаги и возникновения анаэробных условий

77

в почве. Выражается в появлении признаков оглеения и в накоплении полуразложившихся растительных остатков торфа. Заболачивание почвы может быть вызвано грунтовыми, склоновыми водами или атмосферными осадками. Значительное влияние на заболачивание почвы оказывают результаты производств деятельности человека. Заболачивание почвы наблюдается в результате подъема грунтовых вод при гидротехническом строительстве (на побережьях искусственных морей, каналов), а также при неотрегулированном орошении земель и т. д. Наиболее рациональный и перспективный способ борьбы с постоянным заболачиванием почв – мелиорация почв закрытым дренажем; временное заболачивание почв предотвращают глубокой вспашкой, устройством временных канав, борозд.

6 Антропогенное воздействие на растительный и животный мир

Воздействие на растительность. Человек своей деятельностью оказывает огромное влияние на растительность, как положительное, так и отрицательное. Как объект охраны растительность можно разделить на водную, почвенную, подземную и надземную.

Водная растительность играет большую роль в жизни водоемов и их обитателей, но используется человеком слабо.

Почвенная растительность – бактерии, водоросли, отдельные виды грибов играют большую роль в процессах образования почвы и формирования ее плодородия.

Наземная растительность, насчитывающая более 500 тыс. видов (из них 300 тыс. высших видов растений), в наибольшей степени используется человеком и подвергается воздействиям с его стороны.

Трудно сегодня сказать – сколько на планете исчезло растений, которых создать заново уже невозможно. Однако много фактов свидетельствует об исчезновении около 30 тыс. видов растений. В нашей стране насчитывается около 20 тыс. видов растений. Из них примерно до 60 % произрастает на природных сенокосах и пастбищах. Более 530 видов стали в настоящее время редкими.

В результате деятельности человека на огромных площадях дикие растения заменяются культурными, т. е. человек в своих интересах постоянно преобразует окружающий мир растений. На растительные сообщества сильное влияние оказывают домашние и дикие животные. Несъеденные растения остаются нетронутыми или затаптываются копытами. Бессистемная пастьба скота ведет к дегенерации пастбищ, вызывает возникновение водной и ветровой эрозии почвы.

Большое влияние на рост и развитие растений оказывают промышленные выбросы. Попадая в атмосферный воздух, они в конечном итоге оседают на растения. Рост растений может замедляться в 2 и более раза. Некоторые промышленные выбросы обладают высокой токсичностью и

78

вызывают засыхание растений. Установлено, что урожайность пшеницы в районах нахождения цветной металлургии ниже на 40 – 50 %, а содержание белка в ней меньше на 25 – 35 %. Часто наблюдаются факты уничтожения и порчи растений, которые оправдать ничем нельзя. Например, массовое загрязнение сенокосных угодий, пастбищ и других участков вывезенными промышленными отходами, всякого рода мусором. Тяжелые последствия для растений оставляют массовые сборы цветов, неорганизованные посещения и отдых на лоне природы.

Воздействия человека на животных, причины их вымирания. Органические остатки и другие доказательства свидетельствуют о том, что на Земле за прошедшие 500 млн лет произошло пять или шесть катастрофических вымираний преимущественно многочисленных видов животных. Возможно, мы никогда не узнаем действительную причину этих массовых вымираний. Одно нам известно, что оно не было вызвано человеком.

Параллельно с развитием человеческой цивилизации, научнотехнического прогресса, без сомнения, идет и сокращение численности многих видов животных сегодня. Воздействие человека на животных осуществляется двояким путем: прямым – непосредственным преследованием и истреблением, или расселением, и косвенным – изменением условий жизни.

Сокращение большинства видов живых организмов связано и с включением все большей части территорий в активную хозяйственную деятельность: распашка полей, прокладывание дорог, расширение территории поселков и городов. Численность животных сокращается в связи со все более частым посещением людьми прежде необжитых, безлюдных районов тундры, тайги, зоны высокогорий и пустынь.

Отметим, что урбанизация биосферы нередко оказывается благоприятной, например, для крыс, домовых мышей, воробьев, ворон, голубей, некоторых видов пещерных пауков, домовых мух, моли и т. д.

Тревога по поводу сокращения численности и полного истребления многих видов не надуманна. С начала XVII по конец XX века с лица Земли исчезло 68 видов млекопитающих, 130 видов птиц, 28 видов рептилий, 6 видов рыбы и 6 видов амфибий.

По данным Международного союза охраны природы (МСОП), в среднем на нашей планете ежегодно исчезает по одному виду или подвиду позвоночных животных.

Главной причиной продолжающегося исчезновения видов животных является усиление антропогенного влияния. Среди факторов, угрожающих позвоночным животным, следует назвать:

разрушение или деградация местообитания;

переэксплуатация;

влияние интродуцированных видов;

потеря, сокращение или ухудшение кормовой базы;

79

уничтожение для защиты сельскохозяйственных культур, домашних животных, объектов промысла;

случайная добыча.

Немало животных находятся в так называемом «экологическом лимите». Некоторые из них насчитываются лишь несколькими сотнями. Семь видов млекопитающих в наши дни существуют только в условиях зоопарка.

7 Воздействие сельскохозяйственной деятельности человека на природу

Внесение в почвенный покров новых, нехарактерных для него веществ или существенное превышение концентраций веществ, встречающихся в почве, называется загрязнением почв. При сельскохозяйственном использовании происходит загрязнение почв минеральными и органическими удобрениями, пестицидами, патогенными микроорганизмами и т. п.

Внесение в почву минеральных удобрений является важным средством управления почвенным плодородием и увеличения продуктивности земледелия. Однако их длительное применение высокими дозами оказывает негативное воздействие на почву.

Применение высоких доз азотных удобрений вызывает быструю минерализацию гумуса, азотсодержащих соединений почвы, способствует росту газообразных потерь азота. Выделяющийся в атмосферу диоксид азота способствует разрушению озонового слоя, защищающего живые организмы от жесткого ультрафиолетового облучения.

Соединения фосфора менее подвижны, чем азотные, но и они интенсивно поступают в поверхностные и грунтовые воды, в реки и моря. Между тем минеральные ресурсы фосфора на Земле очень ограничены, и бесхозяйственное отношение к его запасам может привести к фосфорному «голоду» на планете.

Применение в сельском хозяйстве калийных удобрений, особенно хлорида калия, приводит к накоплению в почве хлорид-ионов, токсичных для большинства растений.

Избыточно вносимые минеральные удобрения с поверхностным и подземным стоком поступают в реки и озера и вызывают их эвтрофикацию, резко ухудшая свойства воды.

Важнейшие элементы питания растений (NPK) содержатся и в стоках животноводческих комплексов, и сточных водах населенных пунктов, которые часто используются для полива на так называемых земледельческих полях орошения (ЗПО). Здесь очистка сточных вод сочетается с удобрением полей и способствует повышению их плодородия.

80