Экологические кризисы в развитии биосферы и цивилизации [7]

№ п/п	Название кризиса	Время	Причины кризиса	Пути выхода из кризиса
1	Предантропогенный (кризис аридизации)	3 млн лет назад	Наступление засуш-ливого периода (аридизация климата)	Возникновение прямоходящих антропоидов
2	Обеднение ресурсов собирательства и промысла для человека	30 – 50  тыс. лет назад	Недостаток доступ-ных первобытному человеку ресурсов	Простейшие био-технические меро-приятия типа вы-жигания растите-льности для обновления экосистемы
3	Перепромысел крупных животных (кризис консументов)	10 – 50 тыс. лет назад	Уничтожение доступных крупных животных челове-ком-охотником	Переход к прими-тивному земледе-лию, скотоводству (неополитическая революция)
4	Примитивное поливное земледелие	1,5 – 2  тыс. лет назад	Примитивный по-лив, сопутствующее ему истощение и засоление почв	Переход к непо-ливному (богар-ному) земледелию
5	Недостаток растительных ресурсов и продовольствия	150 – 250  лет назад	Истощительное зем-лепользование, остальные технологии	Промышленная революция, новые технологии в сель-ском хозяйстве
6	Глобальное загрязнение среды и угроза истощения ресурсов	30 – 50  лет назад по наст. время	Истощительное природопользова-ние, многоотходные технологии	Энергосберегаю-щие технологии, безотходное про-изводство, поиск решений
7	Глобальный термодинамический (кризис теплового загрязнения)	Начался и прогнози-руется	Выделение в среду большого количест-ва тепла, особенно из внутренних источников, парниковый эффект	Ограничение ис-пользования энер-гии, предотвраще-ние парникового эффекта, поиск решений
8	Глобальное исчерпание надежности экологических систем	Первые признаки и прогноз	Нарушение экологического равновесия в масштабах планеты	Приоритет экологических ценностей перед всеми другими, поиски решений

Человек приблизился к предельно допустимым объемам изъятия вод из рек (примерно 10 % от стока). Он практически уничтожил полностью отдельные ландшафты, например степи. Площадь суши, занятая лесами, уменьшилась с 75 до 25 %. Сравнимыми с природными стали объемы выбросов в атмосферу углекислого газа, двуокиси серы, окислов азота.

Современный человек вовлекает в производство и потребление такое количество вещества и энергии, которое в десятки и сотни раз превышает его чисто биологические потребности.

3.2. Воздействие природопользователей на природу

Воздействие человека – это влияние производственной и непроиз-водственной деятельности людей на свойства природных систем. Воз-действия человека на природную среду подразделяются на преднамеренные и непреднамеренные, прямые и косвенные.

Преднамеренное воздействие понимается как целенаправленное и сознательное действие, которое осуществляется в процессе материального производства, с целью удовлетворения определенных потребностей общества. Оно связано с расходованием того или иного природного ресурса. К преднамеренным воздействиям относится строительство ГЭС, сооружение водохранилищ, каналов и оросительных систем, осушение болот, строительство городов, промышленных предприятий и путей сообщения и т. д. Преднамеренные воздействия – это объект экономики: они заранее планируются, финансируются, контролируются, нормируются и т. д.

Непреднамеренные воздействия представляют собой побочный эффект преднамеренного. К непреднамеренным изменениям относятся: загрязнение окружающей среды, изменение газового состава атмосферы, климата, кислотные дожди, образование смогов, нарушение озонового слоя, обеднение видового состава биоценозов и т. п. Изучение их и анализ является одной из важнейших задач географии (в частности, гео-графического прогнозирования).

Преднамеренные и непреднамеренные воздействия могут быть прямыми и косвенными. Прямые – это непосредственное влияние хозяйственной деятельности человека на природную среду. Например, полив сельскохозяйственных растений непосредственно воздействует на почву, увлажняя ее. Но наряду с повышением влажности почвы увлажняется и охлаждается приземной слой воздуха, изменяются условия произрастания. Эти изменения происходят опосредованно, через цепочки взаимосвязанных воздействий, и называются косвенными.

Преднамеренные и непреднамеренные, прямые и косвенные воздействия взаимно сочетаются, образуя следующие типы комбинированных воздействий.

1. Преднамеренные прямые воздействия. Это большая часть воздействий хозяйственной деятельности, планируемых, проектируемых и осуществляемых отраслями народного хозяйства.

2. Непреднамеренные прямые воздействия возникают побочно с первым типом воздействий. Например, чтобы добывать руду открытым способом, необходимо обеспечить понижение уровня подземных вод вокруг карьера, иначе вода зальет карьер. Откачка вод и сброс их в водоемы меняют режим водоемов. Если воды токсичны, то это приводит к угнетению и гибели гидробионтов. Воздействие прямое, но непреднамеренное.

3. Преднамеренные косвенные воздействия – это средство достижения определенных народнохозяйственных результатов. Так, выбор предшественников сельскохозяйственных культур в севообороте – косвенное воздействие на урожайность этих культур, равноценное (в определенной мере) непосредственному воздействию на растения с помощью удобрений. В масштабах географической оболочки преднамеренные косвенные воздействия – наиболее реальная возможность оптимизации среды.

4. Непреднамеренные косвенные воздействия возникают в связи с нарушением природных равновесий в процессе любых других воздействий. Например, влияние запыленности атмосферы на количественный и качественный состав солнечной радиации.

Эти воздействия не встречаются «в чистом виде»: одно сопровождается другим.

По характеру ареалов проявления техногенных воздействий на геосистемы разделяют на площадные и очаговые. Площадные воз-действия связаны с отраслями хозяйства, которые используют возобновимые ресурсы, распространены на больших территориях (прежде всего почвы и растительность). За счет этих ресурсов существует богарное земледелие, пастбищное животноводство, лесное хозяйство. В размещении этих отраслей и соответствующих воздействий на геосистемы прослеживается природная зональность.

Очаговые (точечные и линейные) воздействия связаны чаще всего с непосредственным использованием азональных по своей природе ресурсов, имеющих очаговое распространение. Это невозобновимые минеральные ресурсы, к которым приурочены предприятия горнодобывающей промышленности, а также локальные источники поверхностных и подземных вод, используемые для энергетики, ирригации и других отраслей хозяйства.

Техногенное воздействие на природную среду может быть однократным (разовым), периодическим, постоянно динамическим (ежегодная распашка), постоянным (стационарным).

Воздействие человека на геосистемы, как правило, осуществляется с помощью технических средств. Технические средства могут быть стационарными, не меняющими своего положения, и нестационарными, подвижными. К стационарным средствам относятся инженерные сооружения – длительно сохраняющиеся на местности объекты, созданные человеком из искусственных или естественных материалов (промышленные предприятия, плотины, каналы и др.). Их действие обычно локализовано в пространстве и протекает в большинстве случаев непрерывно. В результате время существования инженерных сооружений и длительность их влияния на природу, как правило, совпадают.

Действие нестационарной техники (сельскохозяйственных орудий, строительных машин и др.) носит кратковременный характер. Оно может периодически повторяться (например, пахота), но не является непрерывным. Однако вызванные этой техникой изменения в природе нередко сохраняются многие годы.

Характер воздействия различных технических средств на природу неодинаков. Исходя из этого, Д. Л. Арманд разделил технические средства на производственные (без организации управления природными процессами), нейтральные и управляющие природой. Производственные системы объединяют добывающие и перерабатывающие предприятия. К добывающим предприятиям относятся горнопромышленные, лесохозяйственные, сельскохозяйственные и другие объекты. Воздействие этих предприятий на природу состоит, во-первых, в изъятии из нее веществ и энергии, во-вторых, в накоплении отходов производства. Перерабатывающие предприятия влияют на природу посредством накопления различных отходов.

Системы, управляющие природными процессами, включают неподвижные и регулирующие объекты. Неподвижные объекты (лесные полосы, противоселевые сооружения и др.) преднамеренно ускоряют, замедляют или останавливают потоки воды, воздуха, твердых частиц, животных. Регулирующие системы имеют подвижные устройства, позволяющие усиливать или ослаблять потоки (плотины, затворы на каналах, рыбоподъемники и др.). Эти системы осуществляют направленное изменение природных комплексов. К нейтральным сооружениям относятся здания, дороги, мосты, нефтепроводы и другие подобные объекты. Они не рассчитаны на изъятие веществ и энергии, не имеют отходов, но самим своим присутствием могут служить помехой движению воздуха, воды или миграции животных.

Воздействие технических средств на природную среду может быть пассивным и активным. Пассивные воздействия выражаются в «эффекте присутствия», когда технические сооружения (например, здания), занимая какую-нибудь территорию, не оказывают на нее большого влияния (обмен веществом и энергией между сооружениями и средой близок к нулю). В ряде случаев пассивное воздействие способно перейти в активное. Так, при определенных гидрогеологических условиях склонов строительство на них зданий может нарушить неустойчивое равновесие и привести к оползневым явлениям.

Активное воздействие технических средств выражается в не-посредственном изъятии из природы или привнесении в нее значительного количества вещества или энергии. Например, внесение в почву влаги дождевальными машинами приводит к существенному изменению почвенных процессов и условий произрастания растений.

Таким образом, можно выделить следующие виды антропогенного воздействия на природные системы: 1) изъятие вещества и энергии; 2) привнесение отходов производства или других веществ (ядохими-катов и т. п.), а также энергии; 3) перераспределение вещества и энергии в природных системах; 4) привнесение технических или техногенных объектов в природу.

Мера техногенного воздействия на природные системы в форме изъятия, привнесения или перемещения вещества и энергии получила название нагрузки. Нагрузка может быть целенаправленной, если она связана с поддержанием функционирования геосистем в заданном режиме (распашка, вырубка леса и т. п.), или побочной, являющейся следствием прямого воздействия на системы (загрязнение среды, эрозия почв и т. д.). Целесообразно различать нагрузку на чисто природные и уже измененные человеком комплексы (Преображенский и др., 1988). Для первых любое воздействие является нагрузкой, для измененных комплексов нагрузкой считается новое воздействие сверх испытанного ранее (например, прокладка дорог в сельскохозяйственном ландшафте и т. д.).

Виды нагрузок тесно связаны с социально-экономическими функциями и реальным использованием геосистем. Их величины зависят от ряда факторов: вида, интенсивности и продолжительности антропогенного воздействия, состояния изучаемого объекта, его устойчивости и др. Исходя из социально-экономических функций геосистем выделяют следующие виды антропогенно-техногенных нагрузок: пастбищную, земледельческую, мелиоративную, лесохозяйственную, водохозяйственную, промышленную, транспортную, градостроительную, рекреационную.

Пастбищная нагрузка выражается в изъятии фитомассы травостоя, дигрессии (т. е. в ухудшении биотических сообществ), уплотнении, изменении водного режима, в ряде случаев и дефляции почв. Для определения ее величины используются такие показатели, как количество голов скота на 1 га пастбищ, стадии дигрессии, % площади деградированных пастбищ.

Земледельческая нагрузка включает изъятие биомассы и отчуждение питательных веществ вместе с урожаем растений, распашку почв, внесение в нее удобрений и ядохимикатов, потерю плодородия почв в результате эрозии и другие воздействия. Распространенные показатели для ее измерения – это % распаханности территории, внесение удобрений на 1 га пашни, смыв почв (т/га), площадь эродированных земель (в % от площади пахотных угодий).

Мелиоративная нагрузка связана с осушением и орошением земель, обводнением пастбищ, внесением удобрений и других химикатов, поверхностным и коренным улучшением лугов и пастбищ, рекультивацией нарушенных ландшафтов. В качестве ее показателей могут выступать: нормы осушения и орошения, % площади мелиорируемых угодий, % площади рекультивированных земель.

Лесохозяйственная нагрузка состоит в изъятии наземной фитомассы при лесозаготовках, изменении состава лесных фитоценозов, выгорании древостоя при пожарах, проведении мероприятий по уходу за лесом. Ее можно определить объемом вырубленной древесины относительно расчетной лесосеки, % площади вырубленного леса, % площади лесов, сгоревших во время пожаров, и другими показателями.

Водохозяйственная нагрузка выражается в использовании воды для водопотребления, сбросе загрязненных вод, образовании искусственных водоемов, изменении гидролого-гидрохимического режима аквальных и наземных комплексов. Ее показателями являются объемы изъятия воды и сброса загрязненных вод, площади затопленных земель, изменение трофического статуса водоемов.

Рекреационная нагрузка заключается в дигрессии растительности, уплотнении почвенного покрова, сооружении искусственных объектов для целей отдыха и туризма, при образовании ландшафтов для улучшения их рекреационной функции. Основными показателями ее являются величина нагрузки (в чел./га за определенный промежуток времени), стадии рекреационной дигрессии, % площади, занятой рекреационными ландшафтами.

Промышленная, транспортная и градостроительная нагрузки связаны с отчуждением территории, извлечением и использованием природных ресурсов, коренным нарушением ландшафтов, загрязнением окружающей среды, рекультивацией земель. Для определения их величин разработаны различные характеристики – % площади отчужденных, нарушенных и застроенных земель, степень загрязнения среды, плотность транспортных коммуникаций, состояние здоровья и плотность населения. В геосистемах регионального уровня, как правило, проявляется одновременно несколько видов антропогенно-техногенных нагрузок.

Наиболее существенный эффект изъятия, привнесения и перераспределения вещества и энергии в природе выражается в нарушении структуры (деструкции) ландшафтов и загрязнении окружающей среды. Нарушение структуры чаще всего связано с изменением естественного хода природных процессов, разрушением сложившихся взаимосвязей и механизмов саморегулирования. Примерами деструкции ландшафта является распашка целинных земель, осушение болот, вырубка лесов и т. п.

Загрязнение окружающей среды рассматривается как привнесение в природу чуждых для нее веществ и энергии или свойственных ей, но в таких концентрациях, которые негативно влияют на человека.

Загрязнения классифицируются по различным признакам:

• по происхождению^:

  • естественное (связано с извержением вулканов, пыльными бурями, лесными пожарами и т. д.);

  • антропогенное (обусловлено деятельностью человека).

• по источникам:

  • а) промышленное, сельскохозяйственное, транспортное и др.;

  • б) точечное (труба предприятия), объектное (предприятие в целом), рассеянное (сельскохозяйственное поле, экосистема в целом), трансгрессивное (поступающее из других районов, государств);

• по масштабам действия: глобальное, региональное, локальное;

• по элементам среды: атмосферы, почв, гидросферы и ее составляющих и т. д.;

• по масштабу действия: городской среды, сельской среды, внутри промышленных предприятий и др.;

• по характеру действий: химическое (отдельные химические вещества и элементы или их комбинации), физическое (тепловое, шумовое, электромагнитное, радиоактивное), биологическое (микробиологическое, др. агенты);

• по периодичности действия: первичное (выбросы предприятий), вторичное (продукты смоговых явлений);

• по степени стойкости: устойчивое – время жизни сотни и тысячи лет (азот, кислород, аргон и другие инертные газы), стойкое – время жизни 5 – 25 лет (углекислый газ, метан, фреоны в нижних слоях атмосферы), неустойчивое (водяные пары, окись углерода, сернистый газ, сероводород, двуокись азота, фреон в пределах озонового слоя). Степень стойкости загрязняющих веществ зависит от возможности их разложения или перемещения в другую среду, где они не являются загрязнителями (например, углекислый газ, попадая в воды океана из воздуха).

Любое загрязняющее вещество целесообразно оценивать по трем параметрам: объему поступления в среду, агрессивности (ядовитости) и степени стойкости (продолжительности жизни). Например, отрицательный эффект углекислого газа связывается с большими объемами поступления в среду и длительным периодом жизни, что обусловливает накопительный, а вместе с ним и парниковый эффект. Сернистый ангидрит отличается значительными объемами поступления, высокой агрессивностью и небольшой продолжительностью жизни. Именно последнее свойство снижает отрицательный эффект данного загрязнителя.

Последствия загрязнения окружающей среды разнообразны, основные из них – следующие:

1. Ухудшение качества окружающей среды.

2. Образование нежелательных потерь вещества, энергии, труда и средств при добыче природных ресурсов, которые превращаются в безвозвратные отходы.

3. Необратимое разрушение не только отдельных экосистем, но и биосферы в целом.

4. Потери плодородных земель, снижение продуктивности экосистем и в целом биосферы.

5. Прямое или косвенное ухудшение состояния человека – главной производительной силы общества.

Воздействие человека на геосистемы вызывает существенные изменения их состояния. Начальное воздействие на первый природный компонент благодаря вертикальным связям передается на другие компоненты, а благодаря горизонтальным связям – на другие геосистемы. В результате прямо или косвенно изменяются многие природные процессы. Наиболее глубокие преобразования наблюдаются в перемещении литогенного материала, влагообороте, биологическом и геохимическом круговоротах, тепловом балансе.

Изменения в перемещении литогенного материала тесно связаны с нарушением гравитационного равновесия в процессе прямого и косвенного воздействия человека.

Непосредственное техногенное перераспределение литогенного материала осуществляется наиболее интенсивно на территориях горных разработок, городов, крупных инженерных сооружений. Общее количество вещества, извлекаемого из литосферы при добыче полезных ископаемых и земляных работах в мире, составляет более 100 млрд т. в год. Объем вовлекаемых в хозяйственную деятельность горных пород в 4 – 5 раз превышает количество природного вещества, которое ежегодно поступает в природный круговорот в процессе водной и ветровой денудации континентов. Основная часть полезных ископаемых извлекается из верхнего 500-метрового слоя земной коры, хотя отдельные рудники и скважины достигают гораздо большей глубины (1000 – 1500 м). Более 70 % месторождений разрабатывается открытым способом.

В результате добычи полезных ископаемых образуются техногенные формы мезорельефа: терриконы (высота их достигает 300 м, а площадь – десятков га), отвалы пустой породы (высота до 100 – 150 м, протяженность – до 2 км), карьеры (глубиной до 500 – 800 м, площадью – до нескольких км²). Пустоты, образующиеся при подземных выработках, часто вызывают опускания земной поверхности. В результате этого формируются мульды проседания и провалы глубиной до десятков метров. Так, в районе горных выработок в Кузбассе образовались многочисленные цепи глубоких (до 30 м) провалов, тянущихся на протяжении более 50 км, общей площадью до 300 м²  и объемом провалов более 50 млн м³. Аналогичные явления наблюдаются на территории крупных городов. Под тяжестью зданий и других сооружений грунты уплотняются и оседают (на торфяных грунтах оседание составляет 2 – 4 м), на склонах образуются оползни и обвалы. Просадки в городах могут быть обусловлены осушением, а также прогревом и иссушением грунтов. Особенно ощутимое оседание поверхности связано с откачкой подземных вод. В Мехико оседание земной поверхности составляет 9 м, в Токио – 7 м (объем оседания до 20 см в год). Площадь мульд оседания в крупных городах достигает сотни-тысячи км². Для городов характерны аккумуляция «культурного» слоя, достигающая 2 – 8 м, выравнивание поверхности в результате искусственного заполнения грунтом мелких долин, оврагов, балок, создание некоторых насыпных микро- и мезоформ (дорожные насыпи, дамбы и т. д.).

Создание техногенных форм рельефа стимулирует вторичные гра-витационные процессы. Терриконы и карьеры дают начало обвалам, осыпям, оползням. Благодаря ветровой и водной эрозии на отвалах вовлекаются в миграцию различные элементы и вызывают загрязнение природных компонентов. Во всем мире суммарная площадь нарушенных горными работами земель превышает 6 млн га. К этим землям следует присовокупить также сельскохозяйственные угодья и леса, на которые горнопромышленное производство оказывает непосредственно негативное воздействие. Подсчитано, что в радиусе до 35 – 40 км от действующего карьера урожайность сельскохозяйственных культур снижается на 30 % по сравнению со средним уровнем.

Формирование техногенных форм рельефа – это одновременно и появление нового субстрата. Этот субстрат из-за неблагоприятных физических свойств, высокой кислотности, содержания токсичных веществ малопригоден или совсем непригоден для естественного возобновления растительности.

Побочным эффектом техногенного перемещения горных пород является нарушение естественного режима поверхностных и подземных вод. Вследствие дренирующего воздействия карьеров и откачки воды подземные воды истощаются на расстоянии, многократно превышающем ширину карьера. Создание насыпей и дамб усугубляет застой поверхностных вод и заболачивание территории. Побочные изменения водного режима в результате добычи полезных ископаемых проявляются иногда на площади, почти в 10 раз превышающей территорию, непосредственно нарушенную разработками. Так, при добыче угля на шахтах Ростовской области на каждую тонну добываемого угля приходится откачивать свыше 20 м³ пластовой воды, а при добыче железной руды в Курской магнитной аномалии – до 8 м³. Необходимость откачки воды из карьера приводит к образованию депрессионных воронок, связанных с интенсивным понижением уровня грунтовых вод. В результате высыхают колодцы, исчезают ручьи, ключи, многие малые реки, уменьшается влажность почвы, что отражается на урожае сельско-хозяйственных культур.

Еще более интенсивные процессы гравитационного перемещения твердого материала связаны с нарушением растительности, распашкой земель, выпасом скота. Механическое воздействие производства на твердую земную поверхность по объему перемещаемого материала и по охвату территории уступает примерно на целый порядок значению механической обработки почвы, ее рыхлению, переворачиванию, перемещению. Этим путем перерабатывается ежегодно не менее 3х10¹² т твердого вещества. В результате механической обработки почвы улучшаются ее физические свойства, что сказывается на продуктивности растений. Однако до обработки почвы уничтожается естественная растительность. Растительность является важнейшим стабилизирующим фактором в геосистемах с неустойчивым гравитационным равновесием. Уничтожение естественной растительности в сочетании с механической обработкой почвы способствует развитию эрозии, дефляции. Эрозии и смыву подвержена почти половина пахотных земель в мире. Вынос материала вследствие эрозии и дефляции сопровождается, с одной стороны, образованием эрозионных и эоловых форм рельефа, с другой стороны, аккумуляцией наносов в понижениях, заиливанием водоемов, образованием мелей в реках. В этом случае преобразование рельефа – косвенный результат человеческого воздействия.

Многие из перечисленных процессов имеют региональное значение и стали типичными для многих зон. Важнейшая особенность вторичного гравитационного переноса твердого материала – его практическая необратимость.

Деятельность человека влияет на влагооборот и водный баланс. Изменение влагооборота обусловлено прежде всего преобразованием поверхностного стока. Известны два пути преобразования стока:

1. прямое гидротехническое воздействие на водные объекты, включая регулирование водного режима рек, перераспределение стока, забор вод на производственные и другие нужды;

2. воздействие на физико-географическое факторы стока, а через них на элементы водного баланса.

Первый путь изменения стока обычно связан с сооружением водохранилищ. Появление водохранилища – это прежде всего замена наземных геосистем водным природным комплексом. Этот природный комплекс функционирует согласно законам, действующим в естественных водоемах. Однако естественный режим нарушен искусственным регулированием уровня. При сработке уровня в меженный период может обнажиться до 50 % площади дна. Водохранилища дают возможность искусственно перераспределять сток внутри года и за многолетний период и тем самым рационально использовать водные ресурсы. Например, создание водохранилищ на Волге позволило уменьшить сток в весенний период в 1,5 раза и увеличить его в зимнюю межень почти в 2 раза. Одновременно возросло испарение с поверхности водоема (на 10 – 30 % в лесной зоне и в 2 – 3 раза в степи и лесостепи), несколько уменьшился общий объем годового стока (на 5 – 10 %).

В целом водохранилища позволяют увеличить устойчивый сток рек земного шара на 15 %. В этих водоемах отлагается часть речных наносов, в результате чего сокращается твердый сток, рост дельт и вынос твердого материала в море.

Создание на реках водохранилищ замедляет обмен воды в них, что сказывается на их биологическом и химическом режимах. В. Е. Синельников отмечал, что на реке Волге в результате перераспределения стока воды после образования водохранилищ минерализация после паводков протекала медленно, проявлялась вертикальная неоднородность в распределении органических веществ и биогенных элементов (N, P, Sі, Fe), необходимых для жизни бактерий, водорослей, зоопланктона. Таким образом изменяются условия жизнедеятельности живых организмов и самоочищение водоемов.

Водохранилища используются для гидроэнергетики, водоснабжения населенных пунктов, для мелиоративных целей, для развития рыбного хозяйства и рекреации. Они улучшают условия судоходства. Себестоимость перевозок грузов по водохранилищам в зависимости от гарантированных глубин уменьшается в 1,5 – 5 раз по сравнению с река-ми, а капиталовложения меньше чем в 1,2 – 3 раза.

Крупные водохранилища прямо или косвенно влияют на ландшаф-ты окружающих территорий. На пологих берегах равнинных водохранилищ можно выделить зоны периодического затопления, подтопления и климатического влияния. Зона периодического затопления характеризуется интенсивным зарастанием гидрофитами, заилением и сильным заболачиванием. Выше этой зоны находится территория, где поднятие уровня грунтовых вод ведет к избыточному увлажнению и изменению природных комплексов побережья, т. е. подтопления. В зависимости от степени изменения природных условий выделяют подзоны сильного (уровни грунтовых вод на 0,2 – 0,4 м от дневной поверхности), умеренного (0,4 – 1 м) и слабого (1 – 1,3 м) подтопления. Подтопление трансформирует исходные угодья: пахотные земли – в заболоченные луга, сенокосы и пастбища – в болота, заболачиваются леса, что влияет на их продуктивность.

Климатическое влияние водохранилищ отчетливо проявляется в зоне подтопления, а во многих случаях распространяется за ее пределы. Практически значимое воздействие самых крупных водохранилищ на климат ощущается на расстоянии 1 – 3 км, хотя приборы могут зарегистрировать его в 10 и даже 30 – 45 км от берегов.

В зоне влияния водохранилищ изменяется радиационный баланс, температура и влажность воздуха, направление и скорость ветра, количество осадков. Характер проявления этих изменений зависит от размеров водохранилищ и особенностей природы прилегающей суши.

Все климатические изменения имеют место только в безледоставное время, которое делится на два основных периода с преобладанием охлаждающего и отепляющего влияния на сушу. В условиях Беларуси время охлаждающего влияния продолжается около 3 месяцев. Период отепляющего влияния короче и менее выражен. Ширина прямого влияния водохранилищ Беларуси на сушу в охлаждающий период составляет 250 – 300 м, в отепляющий – 25 – 50 м. Температура в зоне постоянного влияния и вне ее достигает 300^о. Сумма осадков над водоемами изменяется на 8 – 10 %. Изменяется направление и скорость ветра. Более чем на 30 % уменьшается количество штилей над водоемами.

Второй путь изменения поверхностного стока – это преобразование водного баланса на водосборах. Сильным преобразующим фактором являются мероприятия по интенсификации сельского хозяйства. Глубокая зяблевая вспашка повышает инфильтрационную способность почв и тем самым запасы почвенной влаги, сокращает поверхностный сток и, по-видимому, несколько увеличивает питание грунтовых вод.

Травосеяние в сочетании с удобрениями также увеличивает ин-фильтрацию почвы и сокращает поверхностный сток. Дополнительный эффект дает снегозадержание. В результате, по данным М. И. Львовича, относящимся к бассейну Дона, поверхностный сток уменьшился на 15 – 20 %, полный речной сток – на 10 – 15 %.

Эффективно воздействует на водный баланс лесная растительность. Лесные породы переводят поверхностный сток в подземный и внутрипочвенный вследствие повышенной скважности лесных почв и неодновременности снеготаяния в поле и в лесу. Увеличение внутри-годовой зарегулированности стока (при наличии прирусловых лесов) приводит к уменьшению максимумов половодий и паводков и увеличению межени на реках. Растительность влияет на испарение. Испаряющая поверхность дерева в 20 раз больше площади, которую оно занимает. Поэтому суммарное испарение растительного сообщества, как отмечает Р. Слейчер, на единицу занимаемой им площади может превосходить испарение с той же площади оголенной почвы или водной поверхности. Например, 1 га парка за год испаряет 3 тыс. т воды.

Важными факторами изменения влагооборота и водного баланса являются осушительная и оросительная мелиорация, расширение застроенных территорий.

В результате осушительной мелиорации понижается уровень грунтовых вод. Снижение уровня грунтовых вод на прилегающих территориях произошло, по различным данным, в радиусе 1,5 – 10 км от объекта осушения, а по глубине залегания до 1 м. При этом в результате уменьшения поверхностного стока и величины испарения может наблюдаться увеличение подземного стока до 10 раз.

Влияние оросительной мелиорации на составляющие водного баланса неоднозначно. Увеличивается влажность почвы до оптимального уровня и влажность приземного слоя воздуха. Увеличение влажности приземного слоя воздуха снижает транспирацию растений, но при орошении увеличивается расход воды на испарение (в тропиках – в 20 раз).

В результате орошения наблюдается повышение уровня грунтовых вод, что при обычной агротехнике приводит часто к заболачиванию, уменьшению количества гумуса, осолонцеванию. Наблюдается уплотнение поверхностного слоя почвогрунта, снижается его водонепроницаемость, ухудшаются другие водно-физические свойства.

Водный баланс изменяется в городах. Застройка, искусственные покрытия, водостоки, уборка снега – все это уменьшает инфильтрацию и усиливает поверхностный сток. Откачка подземных вод может привести к уменьшению и даже практическому прекращению грунтового питания рек. Например, в условиях Москвы, где доля непроницаемых территорий составляет 35 %, поверхностный сток увеличивается на 93 %, подземный сток уменьшается на 28 %, испарение понизилось на 20 %.

Антропогенная деятельность влияет на тепловой баланс, изменение которого имеет непреднамеренный характер и является побочным ре-зультатом хозяйственной деятельности человека. Техногенные факторы изменения теплового баланса и температурного режима можно разбить на четыре  группы:

1. преобразование характера подстилающей поверхности;

2. увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере;

3. антропогенное поступление тепловой энергии в воздушную оболочку Земли;

4. увеличение содержания аэрозолей в атмосфере.

Преобразование подстилающей поверхности происходит путем из-менения растительного покрова и увлажнения (вырубка лесов, осушение болот, орошение), создания водохранилищ, искусственных покрытий в городах и др. Все эти факторы воздействуют на радиационный и теп-ловой баланс через изменение отражательной способности и интенсив-ности испарения. Наиболее очевиден локальный энергетический эффект преобразования подстилающей поверхности, в частности при орошении и осушении.

В условиях засушливого климата при орошении происходит уве-личение радиационного баланса, что связано с уменьшением альбедо (за счет увлажнения почвы и появления растительности) и снижением эффективного излучения (за счет повышения влажности приземного слоя воздуха).

В сухостепных районах европейской части России величина радиационного баланса возрастает при орошении на 10 – 30 %. Это должно приводить к усилению нагревания поверхности почвы. Однако при орошении значительно возрастают затраты тепла на испарение на 50 – 100 %, что в абсолютных единицах (ккал/см²) значительно пре-восходит увеличение радиационного баланса. Поэтому существенно (на 30 – 50 %) уменьшается теплообмен с атмосферой и соответственно затраты тепла на нагревание воздуха и почвы.

В результате осушения болот изменяется поступление солнечной радиации к земной поверхности, а альбедо возрастает. В результате увеличения дефляции с торфяных почв в Полесье снижается прозрач-ность воздуха, а следовательно, уменьшается приток суммарной радиа-ции (в некоторых районах на 4…7 ккал/см² в год). Это увеличивает вероятность заморозков.

При осушении уменьшается расход тепла на испарение (на 10 – 15 %) и заметно увеличиваются затраты энергии на турбулентный теплообмен с атмосферой (на 10 – 25 %). В результате происходит больший, чем ранее, нагрев приземного слоя воздуха и почв днем и охлаждение их в ночное время.

Создание водохранилищ приводит к некоторому увеличению радиационного баланса, при этом в условиях избыточного влажного климата основная часть этого прироста расходуется на турбулентный обмен с атмосферой, в аридных – на испарение.

В городах на тепловой режим влияет резкое сокращение испарения и аккумуляция солнечного тепла бетоном, кирпичом, асфальтом.

В результате антропогенной деятельности произошло изменение концентрации парниковых газов в атмосфере. За счет хозяйственной деятельности увеличилось содержание следующих парниковых газов: углекислого газа (СО₂), метана (СН₄), окислов азота (N_хО), фреонов.

Вклад газов в парниковый эффект зависит от следующих факторов:

1. эффекта, вызываемого единичным объемом поступившего в атмосферу газа, по сравнению с эффектом СО₂, принимаемым за единицу;

2. продолжительности пребывания газа в атмосфере;

3. объема эмиссии газа.

Комбинация первых двух факторов называется относительным парниковым потенциалом, выражается в единицах от потенциала СО₂ и характеризует текущее состояние парникового эффекта следующим образом: СО₂ – 64 %, СН₄ – 15 %, N₂О – 6 %, фреонов – 7 % и др. Роль углекислого газа в изменении температуры воздуха связана со значи-тельной продолжительностью существования в атмосфере (50 – 200 лет) и сравнительно высокой концентрацией. Однако СО₂ отличается низким потенциалом парникового эффекта. Главным антропогенным источни-ком поступления СО₂  является сжигание ископаемого топлива, цемент-ное производство и изменение земной поверхности (вырубка лесов, осушение болот и т. д.).

В результате увеличения концентрации углерода, по прогнозам ученых, увеличится средняя глобальная температура земной поверхности на 1,5 … 4,5 ^оС. 

Существенным фактором антропогенного влияния на тепловой баланс является тепловое загрязнение атмосферы, в первую очередь вследствие сжигания топлива.

Не менее 2/3 энергии, содержащейся в потребляемом топливе, не используется в производстве из-за низкого КПД и рассеивается не-посредственно в атмосфере в виде тепловой энергии (часть тепла выбрасывается непосредственно с нагретой водой, используемой для охлаждения на тепловых и атомных электростанциях). В среднем за год в атмосферу поступает количество техногенного тепла, составляющего 0,006 % от величины солнечной радиации, поглощаемой земной поверхностью и атмосферой. В некоторых развитых странах выделяется больше тепловой энергии. Например, в США количество техногенного тепла составляет около 0,2 % от средней величины годового радиационного баланса. В пределах крупных городов и промышленных центров тепловые нагрузки составляют 5…6 Втхм^1-2, в пределах весьма ограниченных районов – 100 Втхм^-2. По данным М. И. Будыко, температура земной поверхности повышается на 0,01 %.

Следующим фактором изменения температуры воздуха является увеличение содержания аэрозолей в атмосфере. Запыленность воздуха способствует образованию облаков и увеличивает величину отраженной радиации, но, с другой стороны, усиливая поглощение длинноволнового излучения, повышает парниковый эффект. По мнению М. И. Будыко, изменение концентрации аэрозоля в атмосфере снижает среднюю годовую температуру примерно на 0,5 ⁰С (особенно в высоких широтах). Среднеглобальное термическое воздействие выхолаживания за счет аэрозоля может составить от 1,5 до 2,0 Втхм/м^-2, т. е. сравнимо с эффек-том парникового воздействия. Однако время жизни тропосферного аэрозоля, в отличие от парниковых газов, несколько дней. Это обусловливает меньшее влияние аэрозолей на радиационные свойства атмосферы.

Количественная оценка каждого из этих факторов и их суммарного эффекта затруднительна и нередко противоречива. Суммарный тепло-вой эффект техногенных факторов наиболее четко и ощутимо проявляется локально, особенно в городах, где действуют все четыре группы факторов.

Деятельность человека нарушает биологическое равновесие в природе. Экологические последствия воздействия антропогенных факторов проявляются на четырех уровнях организации жизни.

На первом – молекулярно-генетическом уровне – происходят мута-генные изменения генетических систем и активности ферментов; био-трансформация и биодеградация загрязняющих веществ в организмах растений и животных.

На втором – онтогенетическом уровне – происходят изменения в эмбриогенезе; нарушения роста, размножения, метаболизма; отравления, заболевания организмов.

На третьем – популяционно-видовом уровне – происходит исчезно-вение видов.

Если в доисторическое время один вид вымирал в среднем за 2000 лет, то в последние 300 лет один вид стал исчезать за каждые 10 лет. Считается, что с 1600 г. вымерло 173 вида только позвоночных животных и 20 видов растений. В настоящее время, по данным различных ученых, ежедневно исчезает от 1 до 10 – 20 видов. П. Ревелль и Ч. Ревелль (1994 г.) считают, что за ближайшие 20 лет может исчезнуть около миллиона видов, большинство из которых обитают в тропических лесах.

Важно иметь в виду по крайней мере два следствия, связанные с уменьшением видового разнообразия.

Во-первых, вымирание одного вида, как правило, создает предпосылки для уменьшения жизненности или гибели 4 – 5 видов, тесно связанных с вымирающими трофическими и другими связями.

Во-вторых, не обязательно полностью уничтожать какой-либо вид. Достаточно бывает снизить его численность до таких пределов, после которых он не может восстановиться. Обычно для крупных позвоночных предельный уровень численности 500 – 100 особей, для мелких позвоночных – около 10 тыс. особей, для беспозвоночных – около 50 тыс. особей, для растений – также несколько тысяч особей.

На четвертом – биогеоценотически-биосферном уровне – происходят изменения первичной продуктивности, структуры биоценозов; нарушаются межвидовые взаимодействия, экологические связи, осуществляются биоаккумуляция загрязнений в биоценозах, биотрансформация и биодеградация загрязняющих веществ, уничтожаются типы биогеоценозов.

Изменение первичной продуктивности – универсальный показатель трансформации вещественно-энергических потоков и функционирования ландшафтов. Тенденции этих изменений могут быть разнонаправленными, хотя основной является общее снижение первичной продуктивности на земле. Тенденция к росту характерна для аквальных ландшафтов при их евтрофикации. К уменьшению продуктивности приводят следующие причины изменения биоценозов, в т. ч. замена высоко-продуктивных естественных сообществ менее продуктивными агроценозами, неблагоприятное воздействие загрязнения и др. За последних несколько тысяч лет это снижение в целом для биосферы произошло примерно на 30 % и продолжается в настоящее время. Этот процесс происходит на фоне постоянного увеличения потребления первичной продукции человечеством. По мнению И. П. Герасимова, изменение продуктивности происходит по-разному в различных природно-антропогенных ландшафтах: лесохозяйственных, пастбищных, агро-ландшафтах.

В лесохозяйственных ландшафтах действие антропогенных факторов проявляется в изъятии определенного количества общей фитомассы. Это вызывает последовательный ряд преобразований: уменьшение объема биологического круговорота по сравнению с естественным – ослабление круговорота биогенов – уменьшение первичной и вторичной биологической продукции, нарушение ее естественной сбалансированности и скорости образования. Таким образом, тенденция к снижению продуктивности наблюдается у продуцентов и консументов.

Другая последовательность нарушений складывается при функционировании агроландшафтов, где первоначально была ликвидирована вся наземная фитомасса и создан искусственный агроценоз. В данном случае нарушается объем круговорота биогенных элементов, который компенсируется внесением удобрений. Привнос вещества в ландшафт и ежегодное изъятие первичной продукции изменяют соотношение первичной и вторичной продукции. Рост первичной продукции из-за ее последующего отчуждения не сопровождается увеличением вторичной. Наоборот, происходит ее уменьшение и разрыв связей между блоками консументов и продуцентов.

Особый тип нарушений природного равновесия наблюдается в пастбищных ландшафтах. Частичное изъятие вторичной биологической продукции ослабляет возврат биогенов в круговорот. Увеличение продукции животноводства вызывает снижение первичной продукции.

Степень нарушенности экологического равновесия определяется силой антропогенного воздействия и спецификой ответной реакции биосистем. При изучении ответных реакций живых организмов необходим учет их способности к биотрансформации и биодеградации ксенобиотиков. Ксенобиотик – это любое чужеродное для данного организма или сообщества вещество (пестициды, загрязнители), которое может вызвать нарушение биотических процессов, в т. ч. заболевание и гибель живых организмов. Направления биотрансформации различны у растений и животных. У животных происходит перевод ксенобиотиков в водорастворимые формы и вывод их из организма; консервирование в неактивной, безвредной форме или образование более вредоносных веществ, вызывающих мутагенность, канцерогенность. Третий вид превращений характерен для ксенобиотиков, с которыми живые организмы в ходе эволюции не сталкивались.

У растений отсутствует способность перевода поллютантов в водорастворимую форму. Основным направлением биотрансформаций является переход ксенобиотиков в малоактивное состояние. В тех случаях, когда не происходит разрушение молекул токсиканта, возможна передача негативного воздействия по трофической цепи к консументам первого порядка.

Биоаккумуляция загрязнений в ландшафте выражается в возрастании концентрации загрязняющих веществ по пищевым цепям. Этот процесс зависит как от особенностей самих биосистем, так и от индивидуального поведения химических элементов в процессе биологического круговорота. Например, накопление изотопа Cs, привнесенного в тундровый ландшафт техногенными потоками, происходит следующим образом: в почве – n, в лишайниках – 1000 n, мясе оленей – 3000 n, тканях эскимосов – 6000 n. Такие эффекты важно учитывать при нормировании промышленных выбросов.

В зоне негативного антропогенного воздействия отмечается упрощение структуры биоты: нарушается и ограничивается видовое разнообразие, выпадают целые ярусы и разрушается структура фитоценозов. Изменения охватывают все уровни экосистем, включая консументов и редуцентов. Уменьшение видового разнообразия приводит к нарушению устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом.

В результате деятельности человека происходит нарушение биологического (или малого) и геохимического круговорота веществ.

Малые круговороты чаще нарушаются в результате несоответствия между количеством веществ, поставляемых в среду, и возможностями организмов по их разложению либо концентрированию. Накопление человеком веществ достигает столь значительных объемов, что даже легко разрушаемые из них (например, отходы животноводческих комплексов, бытовые стоки и др.) долгое время не включаются в круговорот, являясь вредными отходами. Вещества, чуждые организмам – деструкторам, выключаются из круговоротов на длительное время.

Замена естественных биологических сообществ искусственными приводит к уменьшению интенсивности биологического круговорота. С урожаем культурных растений ежегодно из почвы отчуждаются сотни миллионов тонн зольных элементов и азота. Так, с урожаем пшеницы с 1 га выносится 70 кг K, 30 кг Ca. Почва со средним содержанием минеральных веществ может быть полностью истощена в результате изъятия урожая в течение 15 – 150 лет. Так, в результате вырубки лесов, корчевания пней и корней, уничтожения подстилки из биологического круговорота изымается большое количество N, Ca, P и других элементов, что приводит к обеднению почвы.

Наименее устойчив баланс минеральных веществ почв, фор-мирующихся в условиях влажного климата и интенсивного выщелачивания, т. е. подзолистых и латеритных. Внесение удобрений не может восполнить все потери. В районах с сильно эродированными почвами с полей смывается в 100 раз больше N, K, P, чем вносится с удобрениями. Удобрения лишь частично усваиваются растениями, до 40 – 50 % вносимых в почву питательных веществ вымывается с полей и вовлекается в водную миграцию.

Воздействие антропогенных факторов на геохимический круговорот проявляется в следующем:

1. Человек ослабляет или усиливает геохимические процессы, воздействуя на интенсивность стока, денудацию, инфильтрацию.

2. В процессе производства создается много новых соединений, которые отсутствуют в естественных условиях и вовлекаются в геохимический круговорот.

Часть химических соединений предназначена для непосредственного воздействия на среду. Но большая часть вводится в круговорот непреднамеренно. По масштабам веществ, вовлеченных в технический круговорот, на первом месте среди элементов земной коры стоит С, втором – Са, третьем – Fe, четвертом – Al, пятом – Cl, шестом – Na, седьмом – S, восьмом – N, девятом – Р и др. За счет добычи полезных ископаемых человеком перераспределяется и рассеивается фосфора в 36 раз больше, чем выносится всеми реками Земли, железа – в 13 раз больше.

Техногенные элементы мигрируют в воздушной и водной среде.

Поведение элементов, участвующих в техногенном геохимическом круговороте, условия их накопления или удаления из геосистем зависят от структуры ландшафта, его термического режима, условий увлажнения и дренажа, механического и химического состава почвы, характера растительности. Отрицательные формы рельефа (например, межгорные котловины) способствуют формированию устойчивых очагов атмосферного и почвенного загрязнения. Этому содействуют температурные инверсии и штили. В условиях холодного климата и в кислых почвах пестициды разлагаются медленнее, чем при теплом климате и в щелочных или малогумусных почвах. Высокое содержание кальция в почвах задерживает вынос из них различных элементов. Большую роль в техногенном геохимическом круговороте играют растения – концентраты отдельных элементов (например, лишайники способны захватывать радиоактивные изотопы непосредственно из воды).