Николаев А.С. Экология учебное пособие

родных ресурсов. Подобная информация приведена, например, в работах [26,32]. Для человека эти проблемы оскудения природных ресурсов, прежде всего, связаны с сокращением перспектив развития пищевой базы, неизбежностью голода. В настоящее время происходит сужение генетической базы развития сельскохозяйственных культур и пород скота, что приводит к снижению их продуктивности, делает их все более уязвимыми к болезням, воздействию сорняков, химизации и т.п. Многие из традиционных культур и пород вырождаются; при этом возможности для создания новых продуктивных видов подчас отсутствуют. Трагический итог природопользования развивающихся стран – исчезновение традиционных видов флоры и фауны, которые обеспечивали региональное биоразнообразие. Но это и глобальная экологическая проблема. В настоящее время во влажных тропических лесах Азии, Африки и Латинской Америки находится до 40% всех видов растений и животных, обитающих на планете. С 1960 г. треть прироста сельскохозяйственной продукции в европейских странах обеспечивалась новыми видами и сортами, созданными на основе селекции генетического материала из тропических регионов [19]. Около 70% генофонда размещено в развивающихся странах, не имеющих возможностей для его сохранения и развития.

В научной литературе высказано мнение, что многие «дикие» виды могут выжить только при условии изъятия из хозяйственной деятельности не менее 30% обитаемой поверхности суши,

131

на что современное человечество пойти не в состоянии. Таким образом в ХХI веке неизбежно дальнейшее вымирание многих представителей биологических видов.

Тропические леса, покрывая сегодня до 40% площадей экваториальных стран, являются одной из самых продуктивных систем (биомасса достигает 104 ÷ 1,7·104 ц/га, при годовом приросте до 500 ц/га), являются основными поставщиками кислорода в атмосферу. Но они наименее устойчивы к различного рода антропогенным воздействиям. Важнейшей причиной истощения тропических лесов является традиционная для этих мест подсеч- но-огневая система земледелия, экспорт древесины, использование ее в качестве топлива (см. пример в п.2.2). Попытки восстановления традиционных лесных тропических экосистем пока не дают обнадеживающих результатов. Принято, что для поддержания экологической стабильности природных систем необходимо, чтобы примерно 33% территории было занято лесом [19,26].

По оценкам экспертов страны «юга» ежегодно теряют около 6·106 га плодородных земель, еще около 30·106 га земель находятся под угрозой опустынивания [19]. Таков результат несбалансированного применения химических удобрений, избыточного механического воздействия на почву и др. Экосистемы тропической зоны неустойчивы и подвергаются деградации ускоренными темпами и в значительных масштабах. Эрозия почвы в развивающихся странах, например, превышает соответствующие показатели для развитых стран примерно в 2 раза. Образование

132

Сахары, как показывают современные исследования, началось примерно с конца 4 в. до н.э., в связи с распашкой земель. За последние десятилетия южная граница Сахары продвинулась в сторону экватора на 200 км, ее площадь увеличилась примерно на 65·106 га [26]. Около 10% населения Африки проживает в районах, находящихся под реальной угрозой опустынивания.

При непрерывных нарушениях замкнутости биотических круговоротов в агроценозах, где разомкнутость составляет десятки процентов против сотых долей нормы, возврат в устойчивое сбалансированное состояние должен длиться многие сотни лет [13]. Отсюда понятна роль невозмущенных человеком территорий (национальных парков) для обеспечения стабильности биотических процессов в биосфере в целом. На таких территориях необходимо прекратить антропогенные энерговложения (хозяйственную деятельность), ликвидировать все дороги с использованием механической тяги, запретить передвижение моторного транспорта по рекам и озерам. Допустимо посещение этих территорий людьми с целями рекреаций (отдыха и восстановления жизненных сил), но только на базе средств передвижения с использованием мускульной силы [13]. Сегодня человечеством освоено 60% площади суши. При снижении площадей, охваченных антропогенной деятельностью, до 40% (в 1,5 раза), даже при сохранении современной скорости сжигания ископаемого топлива, глобальное изменение круговоротов углерода и накопление диоксида углерода (СО2) в атмосфере может быть остановлено [13].

133

Таков пример роли невозмущенных территорий для стабилизации биосферы.

Из сказанного понятно, что возможности земледелия не бесконечны. К тому же Земля – конечное физическое тело и численность людей лимитируется, прежде всего, площадью пашни. По некоторым данным (см.[29]) проблема голода отсутствует, если на одного человека в год с 1 га собирают 1 т зерна. Пятимиллиардному населению планеты требуется 5 млрд. т. Сегодня ежегодный сбор составляет 1,5 млрд. т зерна. На одного человека в мире сегодня приходится всего 0,28 га пахотных земель и производительность их в целом низкая. Земля уже сегодня не в состоянии прокормить всех своих жителей.

Согласно В.Г. Горшкову [14] полное потребление одного человека составляет 134 Вт пищи (134 Вт соответствуют 2800 ккал/сутки нормального потребления пищи одним человеком массой 67 кг). Приведенные энергетические величины соответствуют 280 кг зерна. При сбалансированном оптимальном питании растительной и животной пищей это соответствует производству 500 кг/год зерна на одного человека. Из этого количества половину съедает человек, а вторая половина идет на корм скоту, что дает 35 кг/год калорийно эквивалентных зерну животных продуктов. На основании оценок В.Г. Горшкова можно определить потребности современного человечества в зерне: 6·109 (число людей) х 0,5 т/год (потребность одного человека) = 3 млрд. т зерна в год, без учета потерь. В 1989 г. под продовольственные зер-

134

новые культуры в мире было отведено 720 млн. га с которых получено 1,8 млрд. т зерна со средней урожайностью 25,6 ц/га [32].

На основании данных работы [29] можно ориентировочно рассчитать предельно допустимую численность людей на Земле. В соответствии с представлениями об экологических пирамидах, человечество, занимая верхние трофические уровни, может образовать биомассу существенно меньшую, чем биомасса живого вещества биосферы в целом. Биосфера сохранит устойчивость, если на душу населения будет приходиться 250 т живого вещества [7]. Суммарная биомасса живых организмов Земли (континентов и океанов) составляет 2,42·1012 т [8]. В результате деления получим, что в биосфере, не нарушая ее устойчивости, может существовать 9,7 млрд. человек. Но будем объективными, расчет очень условен. Проанализируйте другие данные нашей работы.

По расчетам ФАО (сельскохозяйственной и продовольственной организации ООН) для полного удовлетворения одного человека в питании необходимое количество зерна составляет 0,82 т/год·чел. Понятно, что сегодня объективно часть населения обречена на голод, о чем свидетельствуют несколько разноречивые данные приведенных выше источников.

Для улучшения обстановки, необходима селекционная работа на основе имеющегося генофонда, чему способствует сохранение биоразнообразия.

Ниже подробнее обсудим наиболее универсальные количественные показатели антропогенных возмущений биосферы и

135

эколого-экономические показатели рациональности природопользования.

3.3. Экологические и эколого-экономические показатели рациональности природопользования

Экологические показатели рациональности природопользования находят сопоставлением закономерностей функционирования природных экосистем и природно-техногенных систем. Закономерности перехода природных экосистем в природнотехногенные системы отражены в работе [27]. Согласно [27]

природно-техногенная система – это совокупность взаимодей-

ствующих технических сооружений и природной среды. В указанной работе приведены математические корреляции, описывающие различные состояния (вероятности состояний) в преоб-

разованных человеком экосистемах при различных видах его производственной деятельности. При решении экологических проблем прикладного характера целесообразно использовать рекомендации [27]. Однако мы остановимся на более общих вопросах, связанных с глобальным природопользованием, во избежание вуалирования роли истинно экологического аспекта при организации рационального природопользования.

Универсальной характеристикой различных видов деятельности являются затраты энергии. В этом случае количественные характеристики разных явлений приводят в одних и тех же еди-

136

ницах: Джоулях (Дж) или в Ваттах (1 Вт=1 Дж/с) – в случае непрерывного потока энергии. Понятие энергии связывает воедино все явления природы, природопользовательской деятельности человека, поскольку энергия – это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи.

Количественно антропогенные возмущения оценивают как по величине показателя разомкнутости биологических круговоротов (К), так и величиной вложений энергии (энерговложе-

ний). Наиболее широко распространены такие показатели, как: «техноэнергетическое давление на территорию» [30], «вложение энергии в земледелие (животноводство)» [31].

Техногенные процессы, приводящие к преобразованию гео- лого-географического пространства Земли, можно подразделить на три группы [30]: ресурсодобыча и переработка, выработка и потребление энергии, запуск ракет и ядерные взрывы.

Значительная доля энергетических затрат человечества приходится на перемещение и преобразование вещества планеты. По оценкам 1985 года, ежегодно перемещается нефти и природного газа – около 4·109 т; углей – 2·109 т; горной породы – 20·109 т; строительная индустрия увеличивает скорость эрозии в 200-500 раз [30]. Извлечение для различных нужд подземных вод происходит значительно быстрее, чем их естественное восстановление. Изъятие из литосферы и закачка в нее растворимых веществ в 2-3 раза превышает подземный химический сток в зоне интенсивного водообмена. Суммарные отходы городов мира (примерно 3·109 т

137

твердых; 5·108 м3 жидких и 109 т аэрозолей в год) превышают выбросы вулканов (за последние 400 лет 578 активных вулканов ежегодно продуцируют в сумме около 2,5·109 лавы, пепла, газов

ипаров). Добыча и переработка ресурсов сказывается на физикохимическом состоянии геосферы и структуре геофизических полей – электрического, магнитного, гравитационного.

Выработка электроэнергии к 1990 г. достигла около 3,2·1011 Вт, оказывая огромное влияние на электромагнитное поле Земли [30]. Передача электроэнергии и электропотребление изменили характер электромагнитных бурь и магнитосферных возмущений, около 30% которых связывают с функционированием линий электропередачи (ЛЭП). Воздействие на геофизические поля технических средств производства электромагнитной энергии может вызвать региональные и глобальные перестройки литосферноионосферных связей. Все это приводит к появлению новообразований в лито-, гидро- и атмосфере и в происходящих в них процессах; что нарушает устоявшееся динамическое равновесие

ивлияет на устойчивость экологических систем.

Естественным результатом человеческой деятельности является производственно-преобразованная среда обитания, сформированная в результате многократного пропускания через промышленные процессы вещества лито-, гидро- и атмосфер и частичная замена естественных циклов техногеохимическими. Одна из главных причин нарушения устойчивости природных экосистем – несоответствие скорости естественных и антропогенно-

138

стимулированных массоэнергопотоков. Это обусловливается искусственным созданием разнообразных контрастов, градиентов и потенциалов – источников перетоков вещества, энергии и информации; нарушающих эволюционно установившийся обмен в природных экологических системах. Природные экосистемы Земли интенсивно заменяются природно-техногенными. Изменение состава, свойств и энергетики биосферы может привести к двум альтернативным результатам: 1) катастрофическому ее разрушению и 2) к эволюционному преобразованию в новое качество, устойчивое в изменившихся условиях. Это необходимо учитывать при оценке устойчивости отдельных экосистем и при прогнозах катастрофических явлений. Одним из критериев таких оценок служит техноэнергетическое давление на территорию,

которое измеряют в Дж/км2·с или Вт/км2. Согласно [30] в России наиболее нагруженными территориями являются: центр европейской части, среднее поволжье (нагрузка более 8·104 Вт/км2); наименее нагружены промышленные районы Южного Урала и юга Западной Сибири (здесь нагрузка менее 8·102 Вт/км2). Критические (предельные) значения данного показателя сегодня не определены.

Пороговая величина вложения энергии в земледелие найдена и согласно [31] составляет для средних географических широт 15·109 Дж/га·год (15·1011 Дж/км2·год). При превышении затрат энергии этой величины начинаются вредные для среды последствия: эвтрофикация водоемов, усиленный смыв химических со-

139

единений в реки, интенсивная эрозия и т.п. Поясним, вложение энергии в земледелие – это дополнительное привнесение энер-

гии на единицу обрабатываемой или иным образом эксплуатируемой (выпас, сенокос и т.п.) территории путем тягловых усилий (распашка, боронование, дискование и т.д.), внесения органических и минеральных удобрений, применения ядохимикатов, управления потоками пасущихся животных, сбора урожая и других агротехнических и агрохимических мероприятий. Затраты энергии в высокоинтенсивном земледелии развитых стран составляют (15-20)·109 Дж/га·год, что превышает допустимый предел. Интересно, что средний приход энергии от Солнца в умеренных широтах равен (48-61)·1012 Дж/га·год и величина 15·109 Дж/га·год относительно мала.

На основании численного значения предельного вложения энергии в земледелие в умеренных широтах (15·109 Дж/га·год) и найденного при этом значения разомкнутости круговоротов биогенов – порядка нескольких десятков процентов [13] (зададимся величиной 40%),при фоновом уровне разомкнутости в сотые доли процента [13], можно определить, что привнесение антропогенной энергии в природную экосистему до (15·109·0,01):40=3,8·106 Дж/га·год, не нарушает ее немедленной саморегуляции, т.е. система является по сути невозмущенной деятельностью людей. Такой порядок антропогенных вложений допустим для национальных парков в средних географических широтах. Однако из изложенного в п.3.2. следует, что величина

140