Абиотические факторы среды

В.И. Вернадский отмечал, что живое вещество неотделимо от биосферы, является ее функцией и одновременно «одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты». Круговорот веществ В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Эти циклы и круговорот обеспечивают важнейшие функции живого вещества в целом. Ученый выделил пять таких функций:

Газовая функция - осуществляется зелеными растениями, выделяющими кислород в процессе фотосинтеза, а также всеми растениями и животными, выделяющими углекислый газ в результате дыхания;

Концентрационная функция - проявляется в способности живых организмов накапливать в своих телах многие химические элементы (на первом месте — углерод, среди металлов — кальций);

Окислительно-восстановительная функция - выражается в химических превращениях веществ в процессе жизнедеятельности. В результате образуются соли, окислы, новые вещества. С данной функцией связано формирование железных и марганцевых руд, известняков и т.п.;

Биохимическая функция - определяется как размножение, рост и перемещение в пространстве живого вещества. Все это приводит к круговороту химических элементов в природе, их биогенной миграции;

Функция биогеохимической деятельности человека - связана с биогенной миграцией атомов, многократно усиливающейся под влиянием хозяйственной деятельности человека. Человек разрабатывает и использует для своих нужд большое количество веществ земной коры, в том числе таких, как уголь, газ, нефть, торф, сланцы, многие руды. Одновременно происходит антропогенное поступление в биосферу чужеродных веществ, причем в количествах, превышающих допустимое значение. Это привело к кризисному противостоянию человека и природы. Главной причиной надвигающегося экологического кризиса считается технократическая концепция, рассматривающая биосферу, с одной стороны, как источник физических ресурсов, с другой — как сточную трубу для удаления отходов.

Вопрос № 70. Озоновая проблема.

Проблема озонового слоя возникла в 1982 году, когда зонд, запущенный с британской станции в Антарктиде, на высоте 25 - 30 километров обнаружил резкое снижение содержания озона. С тех пор над Антарктидой все время регистрируется озоновая "дыра" меняющихся форм и размеров. Причина образования озоновой дыры над Антарктидой связана, прежде всего, с систематическим увеличением в стратосфере Земли окислов хлора, и других озоноразрушающих веществ. Глубина и пространственные размеры этой дыры имеют тенденцию к увеличению. Так, в первой половине 90-х годов площадь озоновой дыры составляла 15 млн. кв. км и продолжительность её существования изменялась в пределах 32-63 дня, в 1995 году она превышала 20 млн. кв. км и продолжительность составляла 71 день. В конце 1999 года появилась информация о том, что площадь озоновой дыры достигла 25 млн. кв. км, и периферия её располагается уже у берегов Новой Зеландии. При этом было зарегистрировано самое минимальное количество озона (начиная 1985 года), и которое уменьшилось примерно в три раза по сравнению с уровнем озона над Антарктидой в 70-х годах. В октябре 2000 года, новозеландские ученые посчитавшие современные размеры озоновой дыры (29,53 млн. кв. км), указали, что в зону её действия уже попал город Пунта-Аренас (Чили), а в скором, отдельные сегменты озоновой дыры начнут угрожать Аргентине, Австралии и ЮАР.

Сейчас площадь озоновой дыры сравнима с размерами Северной Америки. Пока, ученые не решаются говорить об уменьшении размеров озоновой дыры. Скорее, они заявляют о её стабилизации, т.к. уже третий год (1999-2001 гг.) дыра не превосходит границ 30 млн. кв. км. При сохранении современного уровня выбросов разрушающих озон веществ в атмосферу размер озоновой дыры начнет уменьшаться только через 50-60 лет. В последние годы области дефицита озона были зарегистрированы и над Северным полушарием. Площадь этих областей существенно меньше антарктической озоновой дыры и они могут наблюдаться над различными регионами Северного полушария, их принято называть локальными озоновыми дырами.

Одна из таких локальных озоновых дыр наблюдается над Центральной Азией, которая первый раз бала замечена в августе 1984 г. В дальнейшем, она наблюдалась в апреле 1985 г., в апреле 1988 г., с апреля по июнь 1990 г., в апреле 1992 г., с января по июнь 1993 г., с февраля по июнь 1995 г., с марта по май 1997 г. Максимальное истощение озонового слоя над горным регионом Центральной Азии было зарегистрировано в апреле 1997 года и составило 18%. Эти данные были получены в результате многолетних, круглогодичных, ежесуточных наблюдений параметров атмосферы над горным регионом Центральной Азии. Наблюдения проводились на уникальной научной станции Иссык-Куль, которая расположена на берегу озера Иссык-Куль, в 10 км западнее города Чолпон-Ата.

Приведенные данные свидетельствуют, о том, что в конце ХХ столетия не только в Южном, но и в Северном полушарии, в том числе и над нашим регионом, появление озоновых дыр с дефицитом озона в 10–40%, т.е. в 2,5–9 раз превышающий максимальный уровень естественных колебаний, стало обыденным явлением.

Истощение озонового слоя представляет гораздо более опасную реальность для всего живого на Земле, чем падение какого-нибудь сверхкрупного метеорита, ведь озон не допускает опасное излучение до поверхности Земли. В случае уменьшения озона человечеству грозит, как минимум, вспышка рака кожи и глазных заболеваний. Вообще увеличение дозы ультрафиолетовых лучей может ослабить иммунную систему человека, а заодно уменьшить урожай полей, сократить и без того узкую базу продовольственного снабжения Земли.

Большинство ученых считают причиной образования так называемых озоновых дыр в атмосфере фреоны, или хлорфторуглеводороды. Применения азотных удобрений в сельском хозяйстве; хлорирование питьевой воды, широкое использование фреонов холодильных установках, для тушения пожаров, в качестве растворителей и в аэрозолях привело к тому, что миллионы тонн хлорфторметанов поступают в нижний слой атмосферы в виде бесцветного нейтрального газа. Распространяясь вверх, хлорфторметаны под действием УФ – излучения распадаются на ряд соединений, из которых окись хлора наиболее интенсивно разрушает озон. Также было установлено, что много озона уничтожается ракетными двигателями современных самолетов, летающих на больших высотах, а также при запусках космических кораблей и спутников.

Проблема утраты озонового слоя может привести к возрастанию ультрафиолетовой радиации Солнца, что будет оказывать влияние не только на все население планеты, но и на все живое на Земле. Для окончательного решения вопроса о причинах истощения озонового слоя необходимы детальные научные исследования. Другой цикл исследований нужен для выработки наиболее рациональных способов искусственного восстановления прежнего содержания озона в стратосфере. Работы в этом направлении были начаты и принесли неплохие результаты.

Например, в 2006 году поступила информация, что рост озоновой дыры остановился. Ученые, обнаружившие в 1986 году лишенную озонового слоя область над Антарктидой, утверждают, что "озоновая дыра" больше не увеличивается. Сейчас ее площадь достигает размеров Северной Америки, сообщает BBC.

Если международное сообщество не будет ослаблять усилий по снижению выбросов разрушающих озон веществ в атмосферу, "дыра", как предполагают климатологи, может начать уменьшаться и, возможно, полностью исчезнет приблизительно через 60 лет.

Однако ученые предупредили, что глобальное потепление может помешать затягиванию озоновой дыры, которая по площади достигла размеров североамериканского континента.

Согласно Монреальскому протоколу 1987 года было прекращено производство аэрозольных упаковок, холодильников, кондиционеров, использующих хлорфторуглероды (в частности, фреон). Хлорфторуглероды больше не разрушают озоновый слой, но заменившие их вещества являются одной из причин глобального потепления. Озоновый слой защищает Землю от ультрафиолетовых лучей, чье воздействие вредно для живых существ. Озон постоянно создается и разрушается в стратосфере, на высоте примерно 30 километров от поверхности Земли.

Вопрос № 83. Сельскохозяйственные экосистемы.

Сельскохозяйственные экосистемы (агроэкосистемы, АгрЭС) занимают около 1/3 территории суши, при этом 10 % - это пашня, а остальное - естественные кормовые угодья. АгрЭС относятся к фотоавтотрофным - имеют ту же принципиальную схему функционирования, что и естественные наземные экосистемы, с передачей энергии по цепи «продуценты - консументы - редуценты». 
   Отличия АгрЭС от естественных экосистем. Эти отличия связаны с тем, что состав, структура и функция АгрЭС управляются не естественными механизмами самоорганизации, а человеком (табл. 23). Человек стоит на вершине экологической пирамиды и стремится спрямить пищевые цепи так, чтобы получать максимальное количество первичной (растениеводческой) и вторичной (животноводческой) продукции нужного качества (Одум, 1986). Основных пищевых цепей в АгрЭС - две: «культурные растения - человек» и «растение - скот - человек». В почвах представлены детритные пищевые цепи с участием сапротрофов (детритофагов и редуцентов).

Таблица 1. 
Сравнение сельскохозяйственных и естественных экосистем

Кроме того, АгрЭС значительно более открыты, чем естественные экосистемы: с растениеводческой и животноводческой продукцией из них происходит отток элементов питания (преимущественно в городские экосистемы). Некоторое количество элементов питания теряется, кроме того, за счет вымывания в грунтовые и наземные воды, а также эрозии - смывания или сдувания с полей мелкозема, который является наиболее питательной частью почвы. 
  

 В АгрЭС выражена фрактальная структура из повторяющихся полей с посевами сельскохозяйственных культур. Наконец, если «естественная экосистема» - понятие безранговое («от кочки до оболочки»), то территориальный ранг АгрЭС определен границами сельскохозяйственного предприятия, внутри которого осуществляются главные потоки вещества и энергии. 
   Биоразнообразие АгрЭС. В АгрЭС по сравнению с большинством естественных экосистем биоразнообразие снижено, хотя оно может быть выше, чем в естественных экосистемах экстремальных условий (арктические и жаркие пустыни). В составе биоразнообразия различают три фракции: 
   1) продуктивное биоразнообразие- разнообразие культурных растений и сельскохозяйственных животных. Продуктивное биоразнообразие растений зависит от разнообразия экотопов в АгрЭС (при сложном рельефе и на разных почвах возделывается большее разнообразие культурных растений, чем при выровненном рельефе с однообразными почвами). Кроме того, этот показатель возрастает при усложнении структуры агроценозов - использовании севооборотов (чередование культур на одном поле в разные годы) и поликультур (совмещение в одном посеве нескольких видов или сортов культурных растений). Состав продуктивного биоразнообразия животных также зависит от природных условий (в разных природных зонах разводят северных оленей, коров или верблюдов). На состав продуктивного биоразнообразия влияет конъюнктура рынка - предпочтение отдается тем видам растений и животных, на биологическую продукцию которых есть спрос (почти в любой природной зоне кроме пустыни и тундры возможно разведение свиней, разных видов домашней птицы и прудовой рыбы); 
   2) ресурсное биоразнообразие- разнообразие полезных для человека видов, спонтанно существующих в АгрЭС: растений сенокосов и пастбищ, естественных лесов и лесных посадок, рудеральных группировок по обочинам полей; животных-энтомофагов (птиц, насекомых - хищников и паразитоидов), насекомых- опылителей; почвенной биоты, участвующей в круговороте биогенов, включая азотфиксацию, а также контроле организмов- патогенов. Ресурсное биоразнообразие достигает максимума в АгрЭС на маргинальных (с ограниченными возможностями для сельскохозяйственного производства) землях. Высокое ресурсное биоразнообразие возможно и в более благоприятных условиях, если сельскохозяйственное производство дотируется правительством из природоохранных соображений (используются традиционные системы возделывания культурных растений без «химии», увеличена доля сенокосов, пастбищ и лесов, используется щадящая обработка почвы, снижено поголовье скота и т.д.); 
   3) деструктивное биоразнообразие - разнообразие организмов, отрицательно влияющих на получение полезной для человека продукции АгрЭС (сорных растений, насекомых-фитофагов, патогенов и др.). Следует заметить, что разделение биоразнообразия на ресурсное и деструктивное - относительно, эти категории являются взаимопереходящими. На заре развития земледелия именно деструктивное биоразнообразие играло роль мощного средства «самообороны» природы, сдерживающего рост площади пашни и поголовья скота и тем самым поддерживающего устойчивость АгрЭС. Массовое развитие сорняков заставляло земледельца забрасывать участок пашни и осваивать новый, который также эксплуатировался не более 5-7 лет (в лесной зоне использовалась подсечно-огневая система земледелия, а в степной - залежно-переложная). Под естественной растительностью восстанавливается плодородие почв и ресурсное биоразнообразие. Болезни уменьшали поголовье скота, хотя в еще большей мере природа «оборонялась» от избытка скота засухами, а в условиях круглогодичного содержания животных на пастбищах еще и снегопадами. Это также способствовало сохранению ресурсного биоразнообразия. 
   При контролируемой численности сорные растения за счет более глубоких корневых систем становятся ресурсными. Они интенсифицируют биогеохимический обмен между пахотным и ниже лежащими горизонтами почвы. Их подземные органы выступают в роли запасников элементов питания при внесении удобрений. При перегнивании подземных органов сорных растений, накопленные в них минеральные элементы удобрений постепенно возвращаются в почвенный раствор и тем самым снижается их вымывание в окружающую среду. Многие сорные растения являются нектароносами и перганосами и посещаются пчелами, они служат дополнительной кормовой базой энтомофагов, которые контролируют плотность популяций насекомых-фитофагов (вредителей). Эти фитофаги поедают часть листьев и осветляют полог культурного растения, что улучшает условия фотосинтеза и повышает урожай. По этой же причине полезно некоторое количество патогенов, которые также осветляют полог растений. 
   Антропогенная энергия в АгрЭС. Для того чтобы управлять АгрЭС (рис. 29), человек затрачивает антропогенную энергию - на обработку почвы и полив, на производство сельскохозяйственной техники, удобрений и химических средств защиты растений, на обогрев животноводческих помещений в зимнее время и т.д. Количество затрачиваемой антропогенной энергии зависит от избранной стратегии управления АгрЭС, однако в любом случае доля антропогенной энергии в энергетическом бюджете экосистемы составляет не более 1 %. Основным источником энергии для «работы» АгрЭС является Солнце. 
   Различаются три типа АгрЭС по количеству энергии, затрачиваемой на управление: 
   1) интенсивная АгрЭС - высокие вложения энергии: монокультура при внесении высоких доз удобрений и поливе, крупные скотооткормочные комплексы, с использованием кормов, производимых на пашне. Такие АгрЭС в наибольшей мере оказывают негативное влияние на окружающую среду: происходит разрушение почв, уничтожается ресурсное биоразнообразие, на скотооткормочных комплексах концентрируется большая масса навоза, который не вносится на поля; 
   2) экстенсивная АгрЭС- низкие вложения энергии: биологическое земледелие без использования минеральных удобрений и пестицидов, круглогодичное пастбищное хозяйство (в условиях сухих степей, пустынь или тундр); 
   3) компромиссная АгрЭС - умеренные вложения энергии: экологически обоснованное использование минеральных удобрений и гербицидов, сухое земледелие, откорм скота с использованием естественных кормовых угодий и кормов с пашни. Компромиссная стратегия управления АгрЭС наиболее целесообразна, так как позволяет сочетать достаточно высокий выход сельскохозяйственной продукции с сохранением условий среды и экономией энергии. Параметры управления АгрЭС. Человек управляет всеми основными параметрами АгрЭС. Этими параметрами являются: 
   - соотношение потоков энергии по главным пищевым цепям «растение - человек» и «растение - скот - человек» (специализация хозяйств для производства растениеводческой или животноводческой продукции или при равном соотношении того и другого); 
   - пространственная структура (определяет соотношение площадей пашни, естественных кормовых угодий, леса и их распределение по территории хозяйства); 
   - состав продуцентов и консументов (подбор видов сельскохозяйственных растений и животных; 
   - уровень биологической продукции, как первичной (путем улучшения условий для развития растений за счет обработки почвы, удобрений и полива), так и вторичной (улучшение кормовых рационов животных, разведение пород с высокими удоями и привесами и т.д.); 
   - плотность популяций видов деструктивной биоты. Человек стремится минимизировать непроизводительный отток вещества и энергии по дополнительным пищевым цепям: «почва - сорные растения», «культурные растения - насекомые-фитофаги», «хозяин (культурные растения, домашние животные) - паразит». Ограничители управления АгрЭС. Способы управления АгрЭС совершенствовались в течение десяти тысяч лет истории сельского хозяйства (появились мощная сельскохозяйственная техника, минеральные удобрения, пестициды, стимуляторы роста и т.д.). Однако на возможности управления по-прежнему влияют четыре группы ограничителей: