книги / Основы экологии

вотных —0,5, в морских растениях —1,2, у морских жи­ вотных —до 2 %.

В большом, геологическом, круговороте сера перено­ сится с океана на материки с атмосферными осадками и возвращается в океан со стоком. Одновременно ее запасы в атмосфере пополняются за счет вулканической деятель­ ности и других источников (рис.4.20).

Вулканы выбрасывают серу в виде триоксида (серного ангидрида) S03 , диоксида (сернистого ангидрида, серни­ стого газа) S02, сероводорода H2S и элементарной серы. В литосфере имеются в большом количестве различные сульфиды металлов: цинка, железа, свинца и др. В биос­ фере сульфидная сера с участием многочисленных мик­ роорганизмов окисляется до сульфатной серы SOJпочв и водоемов. В малом круговороте сульфаты поглощаются растениями и входят в состав аминокислот, белков и эфирных масел. Поедая растения, серу получают живот­ ные. Очень сложными превращениями серы сопровож­ дается разрушение остатков организмов, растительного опада в почвах и илах водоемов суши, морей и океанов. При разрушении белков с участием микроорганизмов образуется сероводород, который в дальнейшем окисля­ ется или до элементарной серы, или до сульфатов. В пер­ вом случае формируются месторождения серы биогенно­ го происхождения, во втором —залежи гипса. Гипс мо­ жет подвергаться разрушению, и сера в таком случае возобновляет свой круговорот. На дне Черного и неко­ торых других морей, а также в различных пресноводных водоемах, загрязненных промышленными отходами, в результате жизнедеятельности сероразлагающих бакте­ рий в анаэробных условиях образуется сероводород. На заключительном этапе геологического круговорота сера выпадает в осадок в анаэробных условиях в присутствии железа и медленно накапливается в глубоко лежащих осадочных породах.

Круговорот серы, как и углерода, азота, фосфора, все больше подвергается нарушению в результате промыш­ ленного загрязнения атмосферы. Основной дополнитель­ ный поставщик серы в большой круговорот - теплоэнер­ гетические установки (ТЭЦ, котельные), которые при сжигании топлива выбрасывают сернистый газ. В сере­ дине 70-х гг. этим путем в атмосферу Земли ежегодно

поступало 100—150 млн т S02. Объем серосодержащих выбросов в Западной^Европе в начале 80-х гг. достиг 20 млн т, или 10 % от суммарного техногенного поступ­ ления этого поллютанта во всем мире (200 млн т).

Атмосфера Земли способна самоочищаться от сернис­ того ангидрида в результате выпадения осадков, погло­ щения серы из S02 другими газами и растительностью, осаждения сульфатных аэрозолей и т.д. Например, при тумане и дожде S02 присутствует в воздухе около 1 ч и, взаимодействуя с естественной примесью в воздухе - аммиаком, переходит в сульфат аммония. Следует отме­ тить, что окисление сернистого ангидрида в воздушной среде происходит очень быстро. Вне промышленных об­ ластей концентрация S02 в атмосферном воздухе резко падает до фоновых значений (не более 5—10 мкг/м3 на суше и 1—3 мкг/м3 над океаном). По данным измерений, на высоте 3 -4 км различия в концентрации S02 над различными территориями Европы исчезают. Средне­ годовая фоновая концентрация диоксида серы для тер­ ритории Беларуси, по наблюдениям Станции фоново­ го мониторинга Березинского биосферного заповедника, составляет 2—3 мкг/м3 и имеет тенденцию к сниже­ нию.

Экологическая опасность сернистого ангидрида зак­ лючается в том, что при его фотохимическом окислении в присутствии диоксида азота и углеводородов, даже если концентрация их в воздухе незначительна, вначале об­ разуется серный ангидрид S03, который, соединяясь за­ тем с водяными парами в атмосфере, превращается в аэрозоли серной кислоты H2S04. Продолжительность всего цикла — от момента естественных или техногенных выбросов S02 до удаления из атмосферы паров серной кислоты —составляет 5— 14 суток. С воздушными пото­ ками аэрозоли серной кислоты мигрируют на значитель­ ные расстояния, иногда на сотни километров от источ­ ника выброса, и выпадают в виде “кислых дождей” с pH 4,0 —5,0 и менее. Установлено, что водоемы Швеции, в которых исчезают рыба и растительность, подвержены загрязнению серными и азотистыми соединениями. Мно­ гочисленные реки и озера на юго-востоке Канады, в севе­ ро-восточных районах США стали также “кислыми” в результате выпадения кислотосодержащих осадков.

Испытывают воздействие кислотных осадков и леса умеренной зоны. За последние 25 лет в связи с промыш­ ленные загрязнением атмосферы резко увеличилась площадь отмирающих лесов во всех странах Централь­ ной Европы, причем около 1 млн га лесов в этом регионе несут значительные потери от “кислых дождей”. Поступ­ ление кислот в лесные экосистемы превысило здесь есте­ ственный уровень н 100 раз. Снижение прироста древес­ ной массы хвойных лесов отмечено и в промышленно развитых районах России и других республик СНГ, в которых нередки случаи деградации лесных экосистем. Кроме того, “кислые дожди” подкисляют почвы уме­ ренных широт, способствуя выносу из них питательных веществ и, следовательно, изменяя скорость круговорота большинства биофильных элементов.

Выбросы в воздух сернистого газа объектами тепло­ энергетики, промышленности и транспорта на террито­ рии Беларуси в настоящее время не превышают 320 тыс. т

вгод, или, в пересчете на серу, около 160 тыс. т. Сум­ марное выпадение серы на территории республики со­ ставляет около 290 тыс. т в год (по данным Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Бела­ руси), или 9% накапливаемой .серы (около 2,7 млн т) в ежегодной продукции растительного покрова (около 90 млн т).

Приняв среднее годовое поступление серы с осадками на поверхность океана 0,5 тыс. т/км2 за показатель для незагрязненных территорий, можно оценить ежегодное выпадение серы на территорию Беларуси с чистыми осад­ ками в 100 тыс. т. Загрязнение природной среды транс­ граничным переносом и местными источниками при та­ ком подсчете составляет около 190 тыс. т в год.

Доля трансграничного переноса в выпадении серы для Беларуси составляет до 60 % (Равинский и др., 1988), или около 110 тыс. т. Достоверность этих расчетов отно­ сительна, но они позволяют оценить приблизительный вклад местных источников на территории Беларуси в загрязнение серой, который составляет около 70—80 тыс. т

вгод. Некоторая часть серы воздушными потоками выно­ сится за пределы республики. Содержание сульфат-иона SO^~ в снежном покрове (рис.4.21) показывает, что наибольшему загрязнению подвержены территории, со-

Рис. 4.21. Содержание сульфат-ионов в снежном покрове на территории Беларуси

предельные с крупными промышленными центрами рес­ публики (Бусько и др., 1995).

Вместе с оксидами серы и азота в воздушный бассейн от источников загрязнения поступают в значительном количестве и другие вещества, в том числе щелочные элементы кальций и магний. Вступая в химические реак­ ции с аэрозолями серной, азотной и других кислот, они в значительной мере нейтрализуют “кислые дожди” .

Незагрязненным атмосферным осадкам соответствуют pH 5,6. В большинстве городов республики, кроме Го­ меля, средние значения pH осадков находились в интер­ вале 5,7—7,0 (рис.4.22), что позволяет их оценить как слабозагрязненные слабокислые и нейтральные по кис-

ния. Трудность заключена в том, что невозможно опре­ делить показатели природных условий “чистой” биосферы и допустимого уровня их загрязнения, а все составляю­ щие ее компоненты чрезвычайно мобильны и изменчивы.

Круговорот ртути. Ртуть принадлежит к весьма ред­ ким элементам. Она рассеяна в земной коре и только в немногих минералах, таких как киноварь, содержится в концентрированном виде. Ртуть участвует в круговороте вещества в биосфере, мигрируя в газообразном состоянии

ив водных растворах. Ртуть и ее соединения токсичны.

Ватмосферу она поступает из гидросферы при испаре­ нии, при выделении из киновари, с вулканическими газами и газами из термальных источников. Часть газо­ образной ртути в атмосфере переходит в твердую фазу и удаляется из воздушной среды. Выпавшая ртуть погло­ щается почвами, особенно глинистыми, водой и горны­ ми породами. В горючих полезных ископаемых —нефти

икаменном угле —ртути содержится до 1 мг/кг. В вод­ ной массе океанов ее количество составляет около 1,6 млрд т, в донных осадках —500 млрд т, в планктоне — 2 млн т. Речными водами ежегодно с суши выносится около 40 тыс. т, что в 10 раз меньше, чем поступает в атмосферу при испарении (400 тыс. т). На поверхность суши ежегодно выпадает около 100 тыс.т (Сауков и др., 1972).

Ртуть из естественного компонента природной среды, участвующего в большом и малом круговоротах, превра­ тилась в один из наиболее опасных для здоровья чело­ века техногенных выбросов в биосферу.Она широко при­ меняется в металлургии, в химической, электротехни­ ческой, электронной, целлюлозно-бумажной и фармацев­ тической промышленности и используется для произ­ водства взрывчатых веществ, лаков и красок, а также в медицине. Промышленные стоки и атмосферные выбросы, наряду с ртутными рудниками, заводами по производ­ ству ртути и теплоэнергетическими предприятиями (ТЭЦ и котельные), использующими уголь, нефть и нефтепро­ дукты, являются основными источниками загрязнения биосферы этим токсичным компонентом. Кроме того, ртуть входит в состав ртутьорганических пестицидов, используемых в сельском хозяйстве для протравливания семян и защиты культур от вредителей. В организм чело­ века попадает с продуктами питания (рис.4.23).

Рис. 4.23. Попадание ртути в организм человека в результате применения ртутьорганических пестицидов в сельском хозяйстве (а) и загрязнения водной среды (б)

Как и в случае с нитратами, ртуть представляет боль­ шую опасность для здоровья детей, степень которой можно оценить по соотношению содержания ртути в моче с допу­ стимой концентрацией —0,035 мг/л. В частности, у боль­ шинства обследованных детей г.Минска этот показатель не превышен, однако у некоторых отмечено содержание ртути в моче до 0,169 мг/л, причем наиболее высокая концентрация наблюдается осенью (Медико-экологичес­ кий мониторинг..., 1993).

Круговорот свинца. Свинец присутствует практичес­ ки во всех компонентах природной среды.В земной коре его содержится 0,0016 %. Важнейшим звеном кругово­ рота свинца является его атмосферно-гидросферный пе­ ренос. Естественный уровень этого металла в атмосфере равен 0,0005 мг/м3. Большая часть его осаждается с пылью, доля выпадений с атмосферными осадками со­ ставляет менее 40 %. Растения получают свинец из почвы, воды и атмосферных выпадений, а животные —потребляя растения и воду. В организм человека металл попадает вместе с пищей, водой и пылью.

Основным источником загрязнения биосферы свинцом являются бензиновые двигатели, выхлопные газы которых содержат тетраэтилсвинец, теплоэнергетические предпри­ ятия, сжигающие каменный уголь, горнодобывающая, металлургическая и химическая промышленность. Значи­ тельное количество свинца вносится в почву вместе со сточ­ ными водами, используемыми в качестве удобрения. Для тушения горящего реактора Чернобыльской АЭС также использовался свинец, который поступил в воздушный бассейн и рассеялся на обширных территориях. Содержа­ ние свинца в загрязнённом воздухе промышленных районов в десять тысяч раз больше, чем его естественный уровень в атмосфере. Только в поверхностные воды вместе с загряз­ нениями поступает до 300 тыс. т свинца в год.

У жителей промышленно развитых стран содержание свинца в организме в несколько раз выше, чем у жителей аграрных стран, у горожан выше, чем у сельских жите­ лей. При увеличении загрязнения окружающей среды свин­ цом возрастает его отложение в костях, волосах и печени. Выводится свинец из организма в основном через кишеч­ ник и почки. Выделение его с мочой до 0,05тиг/л счита­ ется не угрожающим для здоровья. Средняя концентра­ ция свинца в моче детей и подростков г.Минска составляет 0,019 мг/л, и только в некоторых случаях отмечено двукрат­ ное превышение его содержания по сравнению с допустимой нормой (Медико-экологический мониторинг..., 1993).

В заключение следует отметить, что круговороты хими­ ческих элементов, имеющих большое значение для жиз­ ни на Земле, и элементов, являющихся опасными для здоровья человека, не изолированы друг от друга, а вза­ имозависимы в едином биосферном круговороте веществ.

ЭКОСИСТЕМА.

БИОЦЕНОЗ.

ПОПУЛЯЦИЯ

Глава

5-1. ЭКОСИСТЕМА

Соотношение понятий “экосистема” , “природный комплекс” , “ландшафт” , “геосистема” и “биогеоценоз” . Как уже отмечалось, термин “экосистема”в научную ли­ тературу ввел английский ученый А.Тенсли в 1935 г. Экосистема представляет собой природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обита­ ния, которые связаны между собой вещественным и энер­ гетическим обменом. В физической географии термин “природный комплекс” используется для обозначения любых взаимосвязанных компонентов и явлений при­ роды. Это довольно широкое понятие не указывает на полноту охвата составляющих его компонентов и приме­ няется в равной степени для обозначения сообществ орга­ низмов, сочетаний элементов рельефа, почв, атмосферных явлений и т.д. Природный комплекс, характеризующийся закономерным сочетанием элементов природы на опре­ деленной территории, имеющей более или менее четкие рубежи, в физической географии именуется уже природ­ но-территориальным.

Экосистема также имеет закономерное сочетание биоти­ ческих и косных компонентов природы на определенной территории, но не является синонимом природного или природно-территориального комплекса. Она — одна из разновидностей огромного разнообразия природных сис­ тем. Основное значение в ее образовании и функциониро­ вании принадлежит организму или сообществам организ­ мов. Анализ всех связей в экосистеме носит биоцентристский аспект: природный комплекс без живых организмов не является объектом изучения экологии.

В природоохранных исследованиях довольно часто используется широко распространенный географический термин “ландшафт” . К настоящему времени в географии сложилось несколько определений этого понятия. Все чаще под ландшафтом понимают территориальное обра­ зование, в котором взаимосвязаны как природные ком­ поненты, так и антропогенно-техногенные элементы. Однако сохранилось и представление о ландшафте как синониме природного или природно-территориального комплекса.

Синонимом ландшафта является геосистема, исполь­ зуемая для выделения и характеристики различных гео­ графических, как природных, так и природно-антропо­ генных, образований локального, регионального и гло­ бального масштаба. В отличие от экосистемы, в ланд­ шафте (геосистеме) исследуются все элементы и связи между компонентами, которые считаются равнозначны­ ми в образовании и функционировании этого природного комплекса. По этой причине экологическую терминоло­ гию лучше употреблять в тех случаях, когда первосте­ пенное значение придается исследованию и охране биоты, включая охрану здоровья человека. Географическая тер­ минология более уместна при исследовании других ком­ понентов природы — литосферы, почв, вод, воздушной среды, а также ландшафтов в целом. Охрана ландшафта означает принятие мер по сохранению не только биоты, но и всех компонентов природы на конкретных террито­ риях.

Ландшафт - более широкое понятие, чем экосистема. Экология не ставит своей целью объяснить пространствен­ ное сочетание различных по размерности и сложности строения экосистем, например, реки, поймы с луговой растительностью и сосновых лесов на ее песчаных тер­ расах. Задача ландшафтоведения, то есть науки о ланд­ шафтах,—объяснить происхождение, развитие, строение и совместное функционирование этой сложной природ­ ной системы. Информационное содержание ландшафта более объемно, чем экосистемы.

Экосистемный подход к изучению природных комп­ лексов привел к появлению науки биогеоценологии, объект исследования которой — биогеоценоз. Понятие “ биогеоценоз” было сформулировано в 1940 г.