Потоки энергии и круговороты веществ

Всеми отраслями человеческого хозяйства ежедневно добывается поч чти 300 млн. тонн веществ и материалов, сжигается около 30 млн т топлива, используется 2 млрд м³ воды и 65 млрд м³ кислорода. Все это сопровождается расходованием природных ресурсов и массированные загрязнением среды. Так, на рис. 13.10 показан поток энергии и круговорот вещества в современном промышленно развитом обществе.

Сравнение антропогенных материальных потоков с параметрами биосферного круговорота показывает, что человеческая деятельность определяет существенную долю биогеохимической динамики вещества на планете. Общее потребление пресной воды человечеством достигло 2% объема влаги, вводимой в биосферный круговорот транспирацией всех растений суши. Антропогенный обмен газов в атмосфере составляет 15—18% всего биотического газообмена. Уровень использования продукции биомассы достиг 10%. Т.А. Акимова, В.В. Хаскин (1994) приводят данные о том, что человечество в результате своей жизнедеятельности возвращает в атмосферу 1,5 Г выдыхаемых углекислого газа и паров. При этом выделяется 18 ЭДж теплоты. На поверхность земли и в водоемы переходит 3,9 Г жидких и 0,7 Г твердых отходов (экскрементов людей и бытового мусора). Разница между приходом и расходом, близкая к 100 млн т в год, указывает на рост численности, массы человечества и массы предметов и материалов индивидуального потребления.

Рис. 13.10. Поток энергии и круговорот вещества в современном

промышленно развитом обществе (по Ф. Рамаду, 1981)

Значительные ресурсы и экологические проблемы связаны с технической энергетикой и промышленным производством, включая и пром-технологии в сельском хозяйстве. Так, сжигание 10 Г ископаемого топлива , как и биологическое окисление более 5 Г растительной биомассы при скармливании сельскохозяйственным животным, связано с потреблением 34—35 Г кислорода и возвращением в атмосферу 39— 40 Г^ углекислого газа, 9—10 Г влаги (не включая техногенного испарения свободной воды). Кроме того, в воздух попадают продукты неполного сгорания, различные пыледымовые аэрозоли, окислы, соли, значительная масса разнообразных летучих веществ, которые выделяются в процессе производства, работе автотранспорта. Общая масса этих примесей составляет 2 Г в год. В среду при этом выделяется до 400 ЭДж теплоты, создающей угрозу теплового загрязнения планеты.

Более 100 Г твердых и жидких отходов образуется за год добывающей и перерабатывающей промышленностью. Около 15% попадает со стоками в водоемы, остальное добавляется к отвалам, так называемой «пустой породь», свалкам, хранилищам и захоронениям промышленных отходов.

Таким образом, критическую ситуацию в конце XX в. образуют следующие негативные тенденции.

1. Потребление ресурсов Земли настолько превысило темпы их естественного воспроизводства, что истощение природных богатств стало оказывать заметное влияние на их использование, на национальную и мировую экономику, привело к необратимому обеднению литосферы и биосферы.

2. Отходы, побочные продукты производства и быга загрязняют биосфе-ру, вызывают деформации экологических систем, нарушают глобальный круговорот веществ и создают угрозу для здоровья человечества (рис. 13.11).

Рис. 13.11. Пути нарушения деятельностью человека устойчивого

уровня эксплуатации ресурсов естественной биоты (по Б. Небелу, 1993)

Главной причиной противоречий оказывается именно количественная экспансия человеческого общества — высший уровень и быстрое нарастание совокупной антропогенной нагрузки на природу, усиление его разрушающего воздействия. Все это имеет очень серьезные не только экологические, но и социально-биологические и экономические последствия (рис. 13.12).

Рис. 13.12.Модель возможных негативных экологических

и социальных последствий урбанизации

Существенным отличием антропогенного массообмена от биотического круговорота веществ в природе является то, что первый не образует или почти не образует замкнутых циклов. Он существенно разомкнут как в качественном, так и количественном отношении. Может быть реально возобновлена только часть изъятых человеком из природы биологических ресурсов. Может быть утилизирована биотой или нейтрализована в результате биогеохимической миграции веществ только часть отходов производства. Темпы возобновления, утилизации и нейтрализации в современную эпоху отстают от темпов изъятия ресурсов и загрязнения среды. Наиболее характерно это для крупных промышленных городов (рис. 13.13 и 13.14).

Рис. 13.13. Массообмен современного промышленного города (т/сутки)

Рис. 13.14. Взаимодействие города и природной среды

В пределах крупных городов изменены все элементы окружающей среды. В связи с тем, что антропогенный обмен составляет существенную часть биосферного круговорота веществ, то своей разомкнутостью он нарушает необходимую высокую степень замкнутости глобального биотического круговорота, выработанную в длительной эволюции и являющуюся важнейшим условием стационарного состояния биосферы. Антропогенные воздействия оказывают влияние и на круговороты воды, кислорода, углерода, азота, фосфора, серы.

В одних случаях влияние хозяйственной деятельности человека на круговорот воды, или природный гидрологический цикл, может быть целенаправленным, в других — случайным, непредусмотренным (рис. 13.15).

Рис. 13.15. Антропогенное воздействие на круговорот

воды (природный гидрологический цикл),

по П. Ревеллю, Ч. Ревеллю, 1994

Так, количество осадков в промышленных регионах, как правило, увеличивается. Причиной этого служит обилие мельчайших частиц минеральных веществ, ускоряющих конденсацию водяных паров. Другой пример — усиление стока воды в результате уничтожения растительного покрова. Как известно, растительный покров (деревья, травы и др.) улавливают и удерживают воду, просачивающуюся в почву. Уничтожение растительности усиливает сток воды и может привести к наводнению. Нередко человек искусственно препятствует стоку речных и озерных вод, например в океаны. В таких случаях происходит загрязнение воды химическими и биологическими отходами.

Жизнедеятельность живых организмов, как известно, поддерживается современным соотношением в атмосфере кислорода и углекислого газа. Естественные процессы потребления кислорода и углекислого газа и их поступление в атмосферу сбалансированы. Антропогенное воздействие оказывает заметное влияние на круговорот кислорода в биосфере. С развитием промышленности и транспорта кислород используется на процессы горения. Например, на сжигание разных видов топлива требуется от 10 до 25% кислорода, производимого зелеными растениями. Уменьшается поступление кислорода в атмосферу из-за сокращения площадей лесов, степей и увеличения пустынь. Сокращается число продуцентов кислорода и в водных экосистемах. Главная причина — загрязнение океанов и морей, рек и озер. Ученые считают, что в ближайшие 150—180 лет количество кислорода в атмосфере может сократиться на 1/3 по сравнению с его содержанием в конце XX в. Особую тревогу в последние годы вызывает часто наблюдаемое разрушение озонового слоя.

Деятельность человека нарушает естественный баланс круговорота углерода (рис. 13.16).

Рис. 13.16. Антропогенное воздействие на круговорот углерода

Глобальное равновесие (углекислый газ — живое вещество — отмершая органика) сильно сдвинуто практически во всех звеньях. Во-первых, при сгорании топлива при существующем уровне его потребления ежегодно в атмосферу дополнительно поступает 5 - 6×10⁹ т С. Во-вторых, выжигание тропических лесов для расшире-ния пашни, необходимого в связи с ежегодным приростом населения в тропических и субтропических странах на 2,4%, приводит к высвобождению в виде углекислого газа около 5×10⁸ т С ежегодно. В-третъих, примерно такое же количество органического С фитомассы тропических лесов переходит в атмосферу вследствие лесозаготовок, при которых вывозится в виде древесины только часть фитомассы, а отходы (ветви, хвоя и т. д.) и поврежденные деревья сгнивают и мине-рализуются. В-четвертых, из почвы пашен, в первую очередь тропиков, в атмосферу ежегодно переходит еще 3 - 10×10⁸С, первоначально содержащегося в органическом веществе почвы. Общее количество органического С, потерянного всеми наземными экосистемами, включая и нетропические, за исторический период составляет около 7—10×10¹¹ т. Таким образом, целый ряд антропоген-ных процессов существенно сдвигает биосферный баланс углерода в сторону увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере. Хотя часть СО₂ выделившуюся при сгорании топлива, поглощают океаны, большая же ее часть остается в атмосфере. Результаты анализов убедительно свидетельствуюто неуклонном возрастании СО₂ в атмосфере, начиная с 50-х гг. XX в. Представляется наиболее вероятным повышение уровня двуокиси углерода в атмосфере к 2000 г. на 25%. Такое увеличение способно вызвать повышение глобальной температуры на 1°С, «парниковый эффект». Это крайне опасно. В силу «парникового эффекта» и возможности изменения климата произойдет таяние полярных льдов, повышение уровня Мирового океана, затопление прибрежных территорий, ликвидация важных местообитаний для многих видов, включая человека.

Дж. Митчелл (1979) считает, что в конце XX в.ожидаемое повышение температуры поверхности Земли проявится достаточно отчетливо. Он также полагает, что ко времени, когда возмущение климата от повышенного содержания СО₂ проявит себя в полной мере, и которое, возможно, наступит через тысячелетия или позже, температура земной атмосферы в глобальном масштабе может превзойти самые высокие уровни, имеющие место за прошедшие миллионы лет истории Земли.

Человек вмешивается и в естественный круговорот азота (рис. 13.17).

Рис. 13.17. Антропогенное воздействие на круговорот азота

Фиксация атмосферного азота промышленностью более 30 млн т в год составляет в конце XX в.не менее трети всего имеющегося поступления соединений азота на поверхности суши и в океан (около 92 млн т ежегодно, включая индустриальную фиксацию; в это количество не входят газообразные и аэрозольные загрязнения атмосферы) и около половины того поступления азота в биосферу, которое было до промышленной революции. Денитрификация, приводящая к выводу азота из экосистем, составляет около 83 млн т в год, а отсюда ежегодно в биосфере накапливается до 9 млн т азота в связанной форме. Поток связанного азота, потребляемого непосредственно человечеством в виде пищевого белка и одежды, при годовой норме 5 кг может составить в 2000 г. 32 млн т.

Кроме того, окислы азота, попадая в атмосферу, играют существенную роль в образовании смога. Избыток нитратов, попадающих в водоемы в ре-зультате неразумного применения удобрений в сельском хозяйстве, приводит к развитию в этих водоемах колоссальных популяций водорослей и, как следствие, к эвтрофизации водоемов. Выбросы аммиака и различных окислов азота в атмосферу составляют ежегодно 200—3 50 млн т, определенная часть которых возвращается на поверхность почвы или водоемов в виде «кислых осадков», вызывающих губительные изменения в экосистемах.

В ряде регионов биосферы антропогенное поступление азота в экосистемы преобладает над всеми другими источниками. Например, в США из 21 млн т азота, ежегодно поступающего в почвы, на атмосферные осадки приходится 5,6 млн т, на биогенную фиксацию — 4,8 млн т, на минеральные удобрения — 7,5 млн т.

В сязи с тем, что на Земле запасы фосфора — важного элемента для функцонирования экосистем — малы (содержание не превышает 1 % в земной коре), любое воздействие человека на биогеохимический крго-ворот фосфора имеет ряд отрицательных последствий (рис. 13.18).

Рис. 13.18. Изменение круговорота фосфора в результате

хозяйственной деятельности человека

Потери фосфора делают его круговорот менее замкнутым. Эти нарушения связаны со следующими антропогенными факторами.

1. Извлечение фосфора из руд и шлаков, производство и применение удобрений для сельского хозяйства. 2. Производство препаратов, содержащих фосфор и используемых в индустрии и быту. 3. Производство большого количества фосфорсодержащих продуктов и кормов, вывоз и потребление их в зонах концентрации населения. 4. Добыча морепродуктов и потребление их на суше, которое включает за собой перераспределение биогенных фосфатов из океана на сушу.

Замена природных биоценозов агроценозами сопровождается утратой значительных запасов фосфора, так как его содержание в фито-массе лесов и луговых степей достигает нередко десятков килограммов на гектар, а в лесных подстилках — еще больше. Потери фосфора при водной эрозии почв также весьма значительны. Эродируемые почвы теряют фосфора до 9-22 кг с гектара в год.

В 90-х гг. XX в. мировое производство фосфорных удобрений и других соединений фосфора составляло около 35 млн т в год в пересчете на Р,0., а к 2000 г. ожидается удвоение этой цифры. Основное количество этих фосфатов извлекается из горных пород, остальная часть — из гуано. Дальнейшее использование этого фосфора таково: из 10 частей фосфора, израсходованного на корм скоту, человеку с продуктами питания попадает одна часть, три части поглощаются почвой и остаются там, а шесть частей, или 60%, поступают в экскреты и, если не используются в качестве удобрений, что нередко и происходит на практике, то смываются в водоемы и вызывают их эвтрофизацию. Попавший в реки фосфор только частично поступает в океан. Часть его удерживается в водохранилищах, опять же стимулируя их эвтрофизацию. Таким образом, наблюдается перекачка фосфора из горных пород (апатиты, фосфориты) в клетки сине-зеленых водорослей, накапливающихся в эвтрофицированных водоемах. Миграция фосфора по этим цепям, вероятно, не меньше, чем естественный процесс его поступления с речными стоками в воды Мирового океана, который составляет около 2 млн т или несколько больше.

П. Дювиньо (1967) подчеркивал, что «.положение однажды окажется весьма угрожающим, и можно согласиться с Уэлсом, Хаксли и Уилсом (1939) в том, что фосфор наиболее слабое звено в жизненной цепи, которая обеспечивает существование человека».

Общее количество серы, вовлеченное в ее биогеохимический цикл, оценивается следующими цифрами (в год): из океана в атмосферу поступает 82 млн т, а осаждается 96 млн т. С суши в атмосферу поступает 130 млн тонн и возвращается 116 млн т. Антропогенные источники дают 46% поступления серы с суши в атмосферу, и практически все ее соединения, поступившие туда техногенным путем в виде окислов и других соединений, возвращаются на поверхность земли и оказывают губительное действие на экосистемы. Один из основных антропогенных источников соединений серы, поступающих в биосферу, — это сера извлеченных из недр нефти и угля или сера, накопленная живым веществом былых биосфер на протяжении огромного времени, возвращаемая в современную биосферу «залпом». По прогнозам, глобальные выбросы техногенных окислов серы по сравнению с началом 70-х гг. XX в. к 2000г. могут увеличиться в 2—3,5 раза. Татое перенасыщение будет способствовать значительному изменению естественного круговорота серы в природе.

Большая часть двуокиси серы в течение нескольких дней после выброса в атмосферу превращается в сульфаты и серную кислоту. За это время ветры могут отнести эти загрязнения на сотни километров от места их выброса, вызвать кислотные дожди и, как результат, разрушение материалов, повреждение растений, заболеваемость и даже смерть животных. Считают, что высокое содержание окислов серы в воздухе непосредственно влияет на увеличение заболеваемости людей и даже на рост смертности.