Дополнения к гл. 12
12.4.1. Нарушенные биогеохимические циклы и загрязнение среды
Круговорот углерода: диоксид углерода и парниковый эффект в планетарном масштабе
Основные пути, по которым происходит круговорот углерода, показаны на рис. 9.2 (т. 1). Дополнительный, индуцированный человеком цикл (мощность его оценивается в 5⋅1012 кг год-1) связан с использованием ископаемого топлива. Некоторые ученые полагают, что сведение лесов также является важным дополнительным источником атмосферного диоксида углерода (углекислого газа), а скорость антропогенного поступления углерода в атмосферу приближается к 10⋅1012 кг⋅год-1.
12.14. Как сведение лесов приводит к увеличению содержания диоксида углерода в атмосфере?
В норме диоксид углерода содержится в нижних слоях атмосферы (так называемой тропосфере) в очень небольшом количестве — около 300 частей на миллион или 0,03% в объемных единицах. Важность этого газа определяется его вкладом в парниковый эффект, проявляющийся в масштабе всей планеты. Диоксид углерода прозрачен для коротковолнового излучения, поступающего от Солнца, но он сильно поглощает энергию в длинноволновой части спектра, которая переизлучается Землей обратно в космос. Таким образом, диокид углерода "ловит" уходящее излучение, согревая нижние слои атмосферы, в свою очередь излучающие энергию обратно к поверхности Земли (а также вверх и в стороны). Естественно, что в конце концов любая "порция" входящей энергии будет рассеяна и потеряна в космосе, но энергообмена между атмосферой и поверхностью Земли, обусловленного наличием диоксида углерода и других парниковых газов, достаточно, чтобы повысить температуру поверхности Земли примерно на 40°С по сравнению с той, что наблюдалась бы в отсутствие такого обмена. Очень важно осознать, что без некоторого основного уровня парникового эффекта, мало изменявшегося на протяжении миллионов лет, живые системы, во всяком случае в той форме, в какой мы их знаем, существовать бы не могли. Имеющиеся в настоящее время данные ясно свидетельствуют о том, что содержание в атмосфере диоксида углерода и других газов, обеспечивающих парниковый эффект, в частности моноксида углерода, метана и хлорфтор — углеродов, увеличивается со скоростью, беспрецедентной для недавней истории Земли; это увеличение по логике вещей должно способствовать повышению температуры окружающей среды (см. рис. 12.12). В свою очередь такое повышение температуры усиливает испарение и соответственно увеличивает концентрацию водяных паров в атмосфере. Поскольку водяной пар также действует как мощный поглотитель длинноволнового излучения, это приведет к дальнейшему повышению температуры в приповерхностных слоях атмосферы. Достигнутое в результате всех этих процессов повышение температуры вызовет изменение в распределении и интенсивности основных воздушных и водных потоков, определяющих погоду на планете, что в свою очередь может существенным образом повлиять на хозяйственную деятельность человека.
Некоторые ученые-метеорологи и правительственные чиновники не придавали большого значения угрозе парникового эффекта, полагая, что он будет компенсирован за счет возросшей запыленности атмосферы[17] (из-за усилившейся эрозии почвы в результате сведения лесов, интенсификации сельского хозяйства, уничтожения живых изгородей, перевыпаса и т.д.) и, таким образом, результирующее воздействие окажется незначительным. Однако необычные (порой катастрофические для человека) погодные явления, наблюдавшиеся в планетарном масштабе летом 1988 г., в частности сильная засуха в юго-западной части США, наводнения в Китае и Судане, частые случаи понижения давления и выпадения осадков в Англии (обычно такое происходит в летнее время значительно севернее), а также не вызывающее уже сомнений воздействие хлорфторуглеродов на озоновый слой, привели к гораздо более широкому признанию реальной возможности возникновения глобальных климатических изменений при загрязнении среды и к осознанию угрожающих последствий этих изменений. Независимо от того, вызваны ли описываемые события парниковым эффектом или нет, надо приветствовать усилия правительств, направленные на контроль за поступлением в атмосферу загрязняющих ее парниковых газов, так как природные механизмы, обеспечивающие их удаление, работают слишком медленно, чтобы изменить ситуацию (такое наблюдается, например, в случае диоксида углерода), или же создают новые проблемы, как, например, в случае разрушения озона стратосферы хлорфтор-углеродами (см. разд. 12.9).
Диоксид углерода изымается из атмосферы посредством фотосинтеза, а также в результате обмена с океаном и захоронения в виде карбонатов. Главный из этих процессов — обмен с океаном. Верхние 75 метров океанической толщи представляют собой слой воды, хорошо перемешиваемый ветром и согреваемый солнцем. Указанные особенности данного слоя в сочетании с химическими свойствами карбонатов обеспечивают довольно быстрое поглощение им диоксида углерода. В конце концов скорость поступления диоксида углерода в океан определяется процессами обмена между его поверхностными и глубинными слоями, так как именно в результате этого обмена восстанавливается способность поверхностных вод к дальнейшему поглощению диоксида углерода. Обмен поверхностных вод с глубинными в большинстве районов океана протекает очень медленно. Громадные массы холодной (с температурой менее 5°) океанической воды изолированы от поверхностных перемешиваемых вод зоной стагнации — так называемым океаническим термоклином. Эта зона, характеризующаяся тем, что по мере возрастания глубины в ней снижается температура и повышается плотность воды, простирается до глубины порядка 1000 м. По имеющимся оценкам за сотни лет к поверхности подходит не более 10% общего объема воды в океане. Таким образом, хотя океаны потенциально могут поглотить весь образовавшийся в результате деятельности человека излишек атмосферного диоксида углерода, на практике реализации этой возможности (во всяком случае во временных масштабах, сопоставимых с временем интенсивной хозяйственной деятельности человека) препятствует медленный перенос от поверхностных вод к глубинным. Возможно также, что, по мере того как вода у поверхности будет насыщаться диоксидом углерода, способность океана к дальнейшему поглощению этого газа уменьшится, в результате чего вся проблема повышения содержания его в атмосфере станет еще более серьезной.
Предсказать будущую концентрацию диоксида углерода в атмосфере довольно трудно. Отчасти это объясняется недостаточным пониманием всех тонкостей химического процесса абсорбции (видимо, в океане может быть абсорбировано большее количество диоксида углерода, чем это следует из химической модели), а отчасти также тем, что возросшая озабоченность общественности состоянием окружающей среды может затормозить процесс сведения лесов и ускорить развитие альтернативных источников энергии; это в свою очередь сократит скорость потребления ископаемого топлива. Тем не менее широко распространено мнение о том, что к середине двадцать первого века концентрация диоксида углерода в атмосфере увеличится до 600 частей на миллион, превысив, таким образом, более чем вдвое уровень, зарегистрированный для конца девятнадцатого века. Трудно также предсказать климатические последствия, поскольку существует большое число весьма вероятных обратных связей, включенных в рассматриваемые процессы. В соответствии с предсказаниями большинства моделей к середине двадцать первого века средняя для планеты температура увеличится на 3 + 1,5°. В высоких широтах может сложиться еще более серьезная ситуация из-за наличия механизмов обратной связи. По мере того как снег и лед тают, альбедо земли (т.е. ее отражательная способность) снижается, вследствие чего усиливается поглощение поверхностью Земли солнечного излучения. Это повлечет за собой интенсификацию процессов испарения, в результате чего в конце концов возрастет содержание паров воды в атмосфере. Поскольку водяной пар сам по себе является газом, усиливающим парниковый эффект, скорость потепления в высоких широтах при удвоении концентрации атмосферного диоксида углерода окажется в два-три раза выше, чем в тропиках. Последствия такого потепления могут быть самыми разными — от затопления обширных участков прибрежных низменностей (что может угрожать юго-восточной Англии, Нидерландам, Бангладеш и тропическим островам, возникшим на коралловых рифах, например Мальдивским), до крупных сдвигов в распределении мировых климатических зон. Все эти события существенным образом повлияют на производство пищи и на сложившийся баланс сил в сфере торговли и политики. Некоторая незначительная по масштабам компенсация процессов увеличения содержания в воздухе СО2 может быть достигнута за счет возрастания интенсивности фотосинтеза в наземных экосистемах (обычно диоксид углерода — это фактор, лимитирующий фотосинтез).
Может также возрасти продукция морского фитопланктона, особенно в прибрежных водах, где за счет поступления загрязняющих веществ увеличена концентрация нитратов и фосфатов — основных биогенных элементов, ограничивающих развитие фитопланктона. Эти процессы в конечном счете могут способствовать изъятию диоксида углерода из атмосферы, однако желательность их вызывает большие сомнения. Отмеченное возрастание продуктивности прибрежных вод благоприятствует увеличению численности быстро растущих видов, уменьшению разнообразия фитопланктона и появлению в нем доминантов, слабо поедаемых консументами. Все это не способствует возрастанию продукции консументов — фитофагов, а массовое отмирание водорослей приводит к снижению концентрации кислорода и увеличению смертности консументов.
Обзор по проблеме парникового эффекта опубликован в журнале "New Scientist" от 22 октября 1988 г.
Эвтрофизация
Эвтрофизация — это обогащение водных экосистем биогенными элементами. В течение длительного, измеряемого тысячелетиями, периода времени озерные экосистемы испытывают постепенное превра-щение, переходя из олиготрофного состояния (характеризующегося малым содержанием биогенных элементов) в эвтрофное (характеризующееся высоким содержанием биогенных элементов) или даже дистрофное (характеризующееся высоким содержанием биогенных элементов, находящихся в трудноусвояемой форме) (табл. 12.4). Однако в XX в. во многих озерах (среди которых Эри в Америке, Цюрихское озеро в Швейцарии, Лох-Ней в Северной Ирландии), во внутренних морях (например, в Балтийском и Черном) и во многих речных системах, разбросанных по всему свету, наблюдалась очень быстрая эвтрофизация, что обусловлено интенсификацией хозяйственной деятельности человека. К числу главных факторов, непосредственно воздействующих на это явление, следует отнести массированное использование азотных удобрений на сельскохозяйственных угодьях и увеличившийся сток фосфатов в сточных водах. Проблемы, связанные с избыточным поступлением фосфатов в водоемы, отражают не только возросшую численность населения, но и существующую тенденцию его скопления в городах, что приводит к развитию крупных систем сброса сточных вод. Таким образом, происходит не только увеличение абсолютного количества фосфорсодержащих сточных вод, но и возрастание (причем значительно быстрее, чем раньше) их локальной концентрации в местах сброса в реки, озера и моря. Особенно серьезные проблемы возникают при сбросе стоков в озера. Примером может служить ситуация, возникшая в середине пятидесятых годов в оз. Вашингтон (США). Наблюдавшееся здесь бурное "цветение" фитопланктона сопровождалось существенным снижением концентрации растворенного кислорода в глубинных водах озера (так называемом гиполимнионе). Произошло это вследствие сильно возросшего сброса сточных вод, поступавших от быстро развивающегося города Сиэтл. Ситуацию удалось поправить, отведя сточные воды города непосредственно в Тихий океан через залив Пьюджет-Саунд. В то же время удалось улучшить очистку сбрасываемых вод и избежать таким образом сильного загрязнения самого залива. Эвтрофизация озерных систем в настоящее время наблюдается повсеместно по всему миру. Везде, где только возможно, следует избегать сброса стоков в озера и другие более или менее замкнутые водоемы, например в бухты.
Таблица 12.4. Основные черты олиготрофных и эвтрофных озер
Примечание. В классическом варианте процесса естественной эвтрофизации недавно образовавшееся глубокое озеро (например, при отступлении ледника) содержит мало питательных веществ, поскольку вещества эти еще не высвободились из материнских и осадочных пород территории водосбора. Первичная и вторичная продукция в таком озере низка, прозрачность высокая, а кислородный режим благоприятный. Со временем при разрушении и выщелачивании пород приток биогенных элементов увеличивается, первичная и вторичная продукция возрастают, на дне накапливаются органические и неорганические осадки и озеро мелеет. Прозрачность снижается, а в гиполимнионе к концу лета наблюдается дефицит кислорода. Дистрофным называют озеро, которое основное количество органических веществ, синтезированных растениями, получает с суши. Этим обусловливается коричневый цвет воды в дистрофных озерах. Располагаются такие озера обычно среди торфяных болот и постепенно сами превращаются в болота.
Процесс эвтрофизации, быстро развивающийся в результате хозяйственной деятельности человека, правильнее называть "культурной" (или "антропогенной") эвтрофизацией. Возникает он обычно в результате нарушений в круговоротах азота и фосфора. Антропогенные воздействия приводят к тому, что количество вещества, вовлекаемого в активную фазу цикла, начинает превышать то, которое соответствует саморегулирующимся (гомеостатическим) возможностям системы по крайней мере тем, что имеются у них в настоящее время. Антропогенная эвтрофизация создает серьезные экономические и экологические проблемы. Вода хорошего качества необходима для многих технологических процессов, для питья человеку и домашним животным, для коммерческого и любительского рыболовства, а также для поддержания водных путей в удовлетворительном состоянии (см. табл. 12.5).
Таблица 12.5. Основные проявления эвтрофизации в экосистемах и связанные с этим проблемы водопользования
1. Уменьшается видовое разнообразие и меняется состав доминирующих в биоте видов
2. Возврастают биомассы растений и животных
3. Уменьшается прозрачность водоема
4. Возврастает скорость седиментации, укорачивается продолжительность жизни озер
5. Могут формироваться бескислородные зоны
1. Очистка питьевой воды, усложняется, и поступающая к потребителю вода может иметь неприятный вкус или запах
2. Вода может быть опасна для здоровья
3. Вода утрачивает благоприятные для потребителя качества
4. Увеличивается масса растительности уменьшается проточность и препятствует навигации
5. Важные в коммерческом отношении виды (например, лососевые и сиговые рыбы) исчезают
Нитраты и фосфаты наиболее часто выступают в качестве питательных веществ, ограничивающих увеличение первичной продуктивности водных экосистем. Добавление нитратов и фосфатов способствует, таким образом, увеличению численности быстро растущих и являющихся более сильными конкурентами водорослей, например Oscillatoria rubescens, и уменьшению общего видового разнообразия фитопланктона. Подобные процессы в озерах нередко приводят к непропорциональному возрастанию доли несъедобных водорослей, т.е. водорослей, неподходящих в качестве пищи для консументов. Эта особенность доминирующих водорослей, а также более длительный жизненный цикл консументов (и соответственно — большее время реакции их на изменения в среде), приводят к тому, что не вся возросшая первичная продукция потребляется консументами. Отсюда и включение излишка образовавшегося органического вещества непосредственно в процессы разложения (минерализации). Поскольку для разрушения сложных органических веществ (и превращения их в простые минеральные) требуется кислород, содержание этого газа, растворенного в толще воды, может снизиться ниже уровня, необходимого для успешного роста и размножения таких чувствительных видов, как лосось или форель (Salmo spp.). В некоторых крайних случаях гибель рыб и последующее разложение их трупов приводит в свою очередь к дальнейшему снижению концентрации кислорода и ухудшению всей ситуации (по принципу положительной обратной связи). Непосредственные эффекты такой ситуации могут наблюдаться в географически отдаленных областях. Наличие зон пониженного содержания кислорода в реке бывает достаточно для того, чтобы даже при отсутствии других неблагоприятных воздействий нарушилось размножение таких мигрирующих видов, как лососи или угри.
Проблема снижения концентрации растворенного кислорода при эвтрофизации глубоких озер усугубляется наличием сезонной термической стратификации (т.е. расслоением водной толщи на эпилимнион — хорошо перемешиваемый и прогреваемый поверхностный слой, термоклин, в пределах которого наблюдается резкое падение температуры с глубиной, и гиполимнион-глубинные воды, сохраняющие низкую температуру с весны до осени). В умеренных широтах термическая стратификация, препятствующая проникновению кислорода в гиполимнион, устанавливается обычно в начале лета и держится до осени, а затем нарушается в результате охлаждения воды у поверхности и усиления ветрового перемешивания. Вода впадающих в озеро рек обычно теплая (так как реки мелкие), поэтому растворенные в речной воде питательные вещества и кислород попадают только в эпилимнион. Животные же, чувствительные к изменениям температуры, обычно обитают только в гиполимнионе. Масса фитопланктона, образовавшаяся в прогреваемом и богатом питательными веществами эпилимнионе, при отмирании попадает в гиполимнион, где в процессе ее разложения потребляются и без того ограниченные здесь запасы кислорода. Продувание воздухом гиполимниона может компенсировать возникший дефицит кислорода и тем самым сохранить обитающих там животных. Однако, если не следить внимательно за складывающейся ситуацией, то в конце лета может произойти внезапная катастрофическая гибель рыб вследствие наступившего дефицита кислорода.
Анализ конкретного случая
В бродах[18] Норфолка содержание нитратов и особенно фосфатов очень сильно возросло по сравнению с уровнем конца прошлого века, причем наиболее заметные изменения произошли за последние 40 лет (табл. 12.6). В то же время чистые прозрачные воды, характеризующиеся низкой продуктивностью фитопланктона и развитием прикрепленной растительности (например, водорослей Chara spp.), сменились водами непрозрачными, богатыми фитопланктоном, в которых произрастали только немногие прикрепленные растения. В 1973 г. прозрачность воды в Бартон-Брод, измеренная с помощью диска Секки[19], составляла только 11см. Хотя большая часть обитавшей здесь до 1800-х годов фауны (включая ценные виды промысловых рыб) позднее исчезла, к середине двадцатого века местность эта снова приобрела славу мирового центра спортивного рыболовства. Продолжающийся, однако, быстрый рост количества поступающих биогенных элементов, особенно фосфора, а также воздействие целого комплекса других факторов, означают реальную угрозу рыболовству. Дополнительные проблемы возникают из-за периодического затопления территории морской водой, которое к тому же усугубляется эрозией берега, нарушением структуры донных отложений и уничтожения тростниковых зарослей, не только защищающих речные берега, но и создающих удобные места для нереста рыб. Разрушение поясов прибрежной полупогруженной растительности (тростник, рогоз, камыш и т. д.) происходит вследствие расширяющейся и меняющей свой характер рекреационной нагрузки, в частности все большим вытеснением парусного спорта катанием на различного рода моторных лодках.
Таблица 12.6. Уровень фосфатов в озерах и 'бродах' Норфолка начиная с 1800 г.
Недавние эксперименты, проведенные на "бродах" Англии, свидетельствуют о том, что эвтрофизация может быть приостановлена и даже как бы обращена вспять. Так, например, когда два брода — Алдерфен и Кокшут — отгородили от речной системы запрудами, поступление в них воды, богатой биогенными элементами, прекратилось. В Алдерфене ничего более не предпринималось и вслед за наблю-давшимся вначале улучшением ситуации (увеличением прозрачности и т. п.) состояние водоема снова ухудшилось. Произошло это вследствие сложного взаимодействия процессов, протекающих, с одной стороны, в донных отложениях, а с другой — в толще воды при разложении фитопланктона, давшего весной вспышку численности ("цветение"). Результатом этого взаимодействия было высвобождение фосфатов из богатых биогенными элементами донных отложений. Если сразу после запруживания протоков рост водорослей в Алдерфене лимитировали нитраты, то позднее в нем развились формы, фиксирующие атмосферный азот, и летом 1985 г., спустя шесть лет после начала эксперимента, прозрачность воды снова стала крайне низкой из-за очень большого количества содержащихся в ней водорослей и цианобактерий. При отделении запрудой другого брода — Кокшута — было проведено драгирование и очистка водоема от богатых фосфором донных отложений. Постепенно здесь сформировались заросли прикрепленной водной растительности и возросла численность рыб. Стоимость дра-гирования Кокшута оценивалась в 75 тыс. фунтов стерлингов, но для большинства бродов, учитывая их размеры, она должна составлять примерно 250 тыс. фунтов стерлингов. К сожалению, во многих случаях действующие правила судоходства запрещают сооружение дамб и изоляцию бродов, особенно если это не временная мера.
Последствия эвтрофизации и меры борьбы с ней
Отделение водоемов от питающей их речной системы далеко не всегда осуществимо практически, но описанные выше эксперименты показывают, что улучшение сложившейся в таких водоемах ситуации реально возможно, хотя и достижимо порой только довольно сложным путем. Эти эксперименты помогают также лучше понять суть процесса эвтрофизации и возможных способов борьбы с ним. Изымание фосфатов из сточных вод сейчас нередко осуществляется в местах сброса стоков. Основывается оно на химическом осаждении фосфора известью и солями железа. Подобная процедура, особенно если она сопровождается предварительным драгированием, может заметно облегчить очистку протоков. Вынутые из водоемов донные отложения могут с успехом использоваться в качестве удобрения, по крайней мере при установлении на них льготных цен. В результате драгирования озёра и каналы углубляются, поэтому проточность всей системы улучшается, а толща воды обильно снабжается кислородом. В более глубоких стратифицированных озерах при этом увеличивается объем гиполимниона и соответственно растут запасы растворенного кислорода. Углубление водоемов приводит также к установлению в них стратификации, к ограничению тем самым притока биогенных элементов в эпилимнион, а следовательно, и к сокращению продукции фитопланктона. Содержание биогенов в воде может быть уменьшено и такими способами, как изолирование дна от толщи воды (например, полиэтиленовой пленкой), или же химическое осаждение (например, с помощью сульфата алюминия).
"Цветение" водоемов может также непосредственно подавляться альгицидами — химическими веществами, убивающими водоросли, но способ этот отнюдь не бесспорный, так как нельзя исключить возникновения трудно предсказуемых отрицательных последствий для других видов организмов.
Серьезную экологическую проблему представляет собой эвтрофизация водохранилищ. Так, например, водоросли могут забивать фильтры водозаборных сооружений, что сильно ограничивает пропускную способность станций очистки и порой даже требует их временной остановки для смены фильтров. Мелкие водоросли могут некоторое время существовать в водопроводных системах; в результате разложения этих водорослей потребляемая вода порой приобретает неприятный вкус и запах, что, однако, еще не свидетельствует о ее вредности.
Большая часть усилий по борьбе с эвтрофизацией направляется на сокращение количества сбрасываемых в воду фосфатов. Делается это главным образом потому, что фосфаты попадают в водоемы в легко выявляемых местах ("точечных источниках" загрязнения[20]). Что же касается избыточного количества нитратов, то их источник — это по сути дела весь сток с суши, охваченной сельскохозяйственным производством. Таким образом, поступление азота в водные системы рассредоточено по большой площади и контроль за его поступлением может осуществляться не иначе как через радикальные перемены во всей системе ведения сельского хозяйства. Уровень нитратов в питьевой воде вызывает, однако, серьезную озабоченность. Европейские санитарные нормы устанавливают пороговую концентрацию нитратов в питьевой воде, равную 50 мг л-1, хотя и допускают ее подъем до 100 мг л-1. В низменной части Англии речная вода обычно содержит нитраты в концентрации, большей чем 100 мг л-1, и поэтому для нужд питьевого водоснабжения ее необходимо предварительно смешивать с водой, содержащей малое количество нитратов.
Мониторинг эвтрофизации
Связанные с эвтрофизацией изменения в водоеме могут быть подвергнуты биологическому и химическому мониторингу. Полученные при этом данные позволяют предпринять определенные оздоровительные меры, не допуская возможности катастрофического разрушения экосистемы. Изменения видового состава фитопланктона могут свидетельствовать о начавшейся эвтрофизации. Характерными примерами являются случаи "цветения" сине-зеленых водорослей (цианобактерий): Oscillatoria rubescens в оз. Вашингтон и Anabaena flos-aquae в оз. Лох-Ней. В табл. 12.7 приведены группы планктонных организмов (водорослей и цианобактерий), типичных для олиготрофных и эвтрофных озер. Обычно для эвтрофных вод характерна высокая численность фитопланктона и малое видовое разнообразие. Ссылки на руководства, позволяющие определить планктонные организмы, можно получить от Philip Harris Ltd.[21] При другом варианте мониторинга прослеживаются во времени изменения содержания хлорофилла а как показателя общей биомассы водорослей. В летнее время средние значения биомассы фитопланктона в олиготрофных озерах составляют 0,3-2,5 мг⋅м-3, а в эвтрофных — 5-140 мг⋅м-3.
Таблица 12.7. Ассоциации водорослей (и цианобактерий), характерных для планктона олиготрофных и эвтрофных озер[22]
Полезным индикатором качества воды в реках может быть видовой состав крупных беспозвоночных животных. Простая пятиуровневая схема такого анализа приведена в табл. 12.8. При сборе проб, необходимых для проведения подобного анализа, следует позаботиться о стандартизации всей процедуры и обеспечении достаточно репрезентативной выборки из каждого обследуемого местообитания. В Великобритании специалисты водного хозяйства используют чаще всего две принятые системы оценки качества воды: индекс Ф. Вудевиса (известный также как "биотический индекс реки Трент"; табл. 12.9) и показатель Чендлера (или "баллы Чендлера"). Индекс Вудевиса учитывает наличие или отсутствие "ключевых" видов и общее число видов, но не требует знания численности разных видов. Подобный способ расчета индекса позволяет быстро определить его величину, но вместе с тем величина эта может существенно зависеть от случайного попадания (или непопадания) в пробу того или иного чувствительного к загрязнению вида. При расчете показателя Чендлера обилие каждого отдельного вида оценивается по 5-балльной шкале. Недостаток этого индекса в том, что оценка самого обилия в каждом случае довольно произвольна. Но поскольку в принципе все организмы в пробе могут быть не только определены, но и подсчитаны, реальные возможности показателя Чендлера больше, чем у индекса Вудевиса. Полное описание обоих методов, включая разбор примеров, можно найти в книге: Mason С. F. (1981), Biology of Freshwater Pollution, Longman.
Таблица 12.8. Пятиуровневая шкала для оценки загрязнения вод по данным о присутствии или отсутствии индикаторных видов
Таблица 12.9. Индекс Вудевиса ('Биотический индекс реки Трент')[23]
Перечень групп
Термин «группа» в данном случае просто уровень, до которого ведется определение.
Группы эти следующие:
Любой известный вид плоских червей (Platyhelminthes)
Кольчатые черви (Annelida) за исключением рода Nais.
Род Nais
Любой известный вид пиявок (Hirudinae)
Любой известный вид моллюсков (Mollusca)
Любой известный вид ракообразных (Asellus, креветки)
Любой известный вид веснянок (Plecoptera)
Любой известный вид поденок (Ephemeroptera), за исключением Baetis rhodani
Поденка Baetis rhodani
Любое семейство ручейников (Trichoptera)
Любой вид сетчатокрылых (Neuroptera)
Личинки хирономид (Chironomidae), за исключением мотыля Chironomus thummi
Личинки Chironomus thummi (мотыль)
Семейство мошки (Simuliidae)
Личинки любых других видов двукрылых
Любые виды жуков и их личинки (Coleoptera)
Любые виды водяных клещей (Hydracarina)
Максимальная величина индекса равна 10. Более низкие значения соответствуют некоторому загрязнению. Наибольшая степень загрязненности-0.
Процедура подсчета:
1. Животные из взятой пробы сортируются по группам (согласно приведенному списку). Подсчитывается общее число групп.
2. Отмечаются виды-индикаторы, начиная с верхней части списка.
3. Для того чтобы определить величину индекса, берется вид наибольшего ранга из присутствующих, например Trichoptera, и отмечается число групп (из приведенного списка). Таким образом, индикаторные виды определяют строку таблицы, а общее число обнаруженных групп-столбец. Считываемая на пересечении цифра и есть значение индекса.
Пример: Вид-индикатор, занимающий наивысший ранг, относится к ручейникам (Trichoptera); ручейников более чем один вид в пробе;
Общее число групп-7.
Соответствующее значение индекса в таблице равно 6.
Полезным химическим показателем степени эвтрофизации может быть величина биохимического потребления кислорода (БПК). Величина эта, оценивающая скорость поглощения кислорода организмами, отражает активность микроорганизмов, которые разлагают содержащееся в воде органическое вещество (как уже упоминалось, содержание органического вещества обычно возрастает при обогащении воды биогенными элементами в минеральной форме). Потребление кислорода в процессе дыхания водорослей также неизбежно должно включаться в итоговую величину БПК. В большинстве случаев оно практически не имеет особого значения, но иногда на дыхание водорослей приходится до 50% общего БПК. Величина БПК, следовательно, довольно приблизительный показатель качества воды, использовать который наиболее целесообразно в комбинации с другими индексами. Стандартная оценка БПК дается обычно как количество кислорода (в мг), поглощенного из пробы воды объемом 1 л, помещенной в темноту на 5 сут при температуре 20°С. Чистая речная вода характеризуется, как правило, величиной БПК порядка 3 мг л-1, вода из сильно загрязненной реки — 10 мг⋅л-1, а типичные значения БПК для бытовых стоков равны 250-350 мг⋅л-1 (см. табл. 12.10).
Таблица 12.10. А. Руководство по определению качества воды по величине БПК. Б. Сравнение оценок величины БПК в некоторых типичных промышленных стоках
Уменьшение содержания кислорода в реке при сбросе в нее богатых органическим веществом сточных вод — процесс медленный, поэтому то место, где наблюдается наиболее выраженный дефицит кислорода, может находиться значительно ниже по течению от места сброса сточных вод.
12.15. Перечислите факторы, определяющие степень дефицита кислорода.
В р. Темза в 1967 г. в сравнительно маловодный осенний период зона пониженного содержания кислорода начиналась сразу за Лондонским мостом и тянулась на 40 км, тогда как весной при высокой скорости течения зона эта начиналась только в 22 км ниже моста, а протяженность ее составила 12 км.
12.8. Земледелие
Выдающиеся успехи в сельском хозяйстве были достигнуты за последние 20 лет благодаря широкому внедрению научно обоснованных высокоразвитых технологий. Ряд примеров использования таких технологий приводится ниже.
12.8.1. Вспашка
Цель этой процедуры — дробление комков почвы и создание удобных мест для прорастания семян посредством перевертывания или закапывания дерновины. Природный травянистый покров уступает при этом место искусственно создаваемым агроценозам. В Великобритании вспашка проводится обычно осенью, а зимние морозы способствуют разрыхлению почвы.
Изогнутые стальные лезвия плуга протаскиваются трактором через толщу почвы. Устанавливаемые сейчас на тракторах гидравлические устройства автоматически контролируют глубину вспашки. Затем используются хорошо разламывающие твердую почву дисковые плуги, а окончательная подготовка пашни включает также боронование (диско-выми или рамочными боронами).
12.8.2. Сев
После уборки стерня обрабатывается гербицидами, таким, например, как паракват, с целью уничтожения всех сорняков. Используя сеялку, способную взламывать ненарушенную почву, можно непосредственно производить посев в нераспаханную землю и тем самым избежать расходов на вспашку (сэкономив, например, горючее).
12.8.3. Севооборот
Исторически сложилось так, что земледелие в Великобритании основывается на трехгодичном цикле: озимая пшеница сменяется яровой, а затем поле оставляют на год невозделанным, чтобы сохранить или восстановить утраченное плодородие. По мере развития производства корнеплодов и осознания важности бобовых (как фиксаторов азота и создателей "зеленого удобрения") начал формироваться четырехгодичный цикл, включающий последовательное выращивание на одном поле корнеплодов, пшеницы дикорастущих трав (или бобовых) и ячменя. Иногда этот цикл модифицируют, включая в него более широкий спектр возделываемых культур, например капусту или сахарную свеклу. Чередование культур не только поддерживает плодородие почвы, но также препятствует развитию вредителей. Однако с введением в практику сельского хозяйства пестицидов стало возможным возделывание моно-культур. При этом достигается очень интенсивное сельскохозяйственное производство за счет успешного выращивания из года в год одной культуры на том же самом участке земли.
На впервые осваиваемых (а в развивающихся странах и на давно освоенных) территориях может использоваться система, известная под названием подсечно-огневого земледелия. Такая система основывается на вырубке и выжигании всей существующей на данной территории растительности, что приводит к возвращению в почву важных минеральных компонентов питания. Расчищенная подобным образом площадь используется для земледелия непрерывно в течение нескольких лет, до тех пор пока плодородие почвы не падает. Затем участок этот забрасывается по крайней мере на несколько лет, а выращивание сельскохозяйственных культур переносится в новые места. Земледелие такое обычно смешанное, т. е. несколько разных культур выращиваются бок о бок на одном участке.
12.8.4. Сбор урожая
Способ сбора урожая определяется типом выращиваемой культуры и может варьировать от жатвы с помощью самых современных комбайнов до ручного сбора фруктов. Урожай собирается тогда, когда по опыту он достигает необходимой стадии зрелости. При этом в случае зерна учитывается содержание в нем влаги, а в случае сбора фруктов необходимо предусмотреть те изменения, которые произойдут в плодах до момента попадания их на рынок. При современной технологии зерно, однако, может быть искусственно высушено до необходимого уровня. Собранный урожай отправляется либо непосредственно покупателю или на перерабатывающую фабрику (так поступают, например, с сахарной свеклой), либо помещается в хранилище.
12.8.5. Хранение
Основные задачи, возникающие при хранении урожая, связаны с предотвращением (или хотя бы сокращением масштабов) его порчи в ходе ожидания момента, удобного для продажи. Главные потери определяются вредом, наносимым насекомыми и грибами. Особенности хранения зависят от вида продукции; это могут быть силосные башни и элеваторы для злаковых, бурты для картофеля и корнеплодов, специальные хранилища для фруктов.
Было выяснено, что продолжительность хранения фруктов находится в обратной зависимости от интенсивности их дыхания, которую можно снизить, помещая фрукты в холодильник или в некоторых случаях продувая хранилище воздухом, обогащенным диоксидом углерода (10%). Ускорить же созревание и сократить время хранения можно, используя этилен, который, кстати сказать, выделяется самими зреющими фруктами. В воздух, циркулирующий в картофелехранилищах, добавляются также различные летучие вещества, препятствующие прорастанию клубней, а в хранилищах фруктов используются фунгициды — вещества, подавляющие рост грибов.
12.8.6. Контроль за сорняками
Сорняк можно определить как растение, произрастающее "не там, где надо". Для сорняков характерно быстрое прорастание и рост, кроме того, они продуцируют большое число семян, способных долго находиться в покоящемся состоянии и сохранять при этом хорошую всхожесть. Взрослые сорняки бывает трудно уничтожить, поскольку наличие длинного стержневого и боковых придаточных корней, а также быстрая регенерация нарушенных тканей позволяют им эффективно противостоять обработке мотыгой, выеданию фитофагами и действию контактных гербицидов. Благодаря таким свойствам сорняки способны успешно конкурировать с культурными растениями (особенно на стадии проростков) за влагу, биогенные элементы и свет, что приводит к значительному снижению урожая. На стадии уборки урожая сорняки, кроме того, засоряют зерно своими собственными семенами.
12.8.7. Гербициды
Одной из задач, давно стоявшей перед сельскохозяйственной наукой, было увеличение урожая зерновых культур с помощью растительных гормонов. Использование ауксина привело к открытию гербицидного действия феноксиуксусных кислот, таких, например, как метилхлорфеноксиуксусная кислота. В настоящее время разработано много различных гербицидов, значительно более совершенных, чем старые "контактные" гербициды вроде хлората натрия. Эти новые вещества, называемые "системными гербицидами" (поскольку они переносятся по проводящим системам растений), обладают нередко селективным действием. Так, например, паракват и дикват, проникая внутрь растения, воздействуют на процесс фотосинтеза и могут быть использованы для уничтожения сорняков, находящихся среди древесных насаждений. Другие гербициды, например атразин и симазин, остаются в почве и препятствуют прорастанию семян.
12.8.8. Инсектициды
Действие инсектицидов, как и других пестицидов, чаще всего основано на ингибировании каких-либо метаболических процессов. Инсектициды весьма значительно различаются по своему составу, эффективности, способу и скорости воздействия, а также по применяемым дозам. В идеальном варианте диапазон их действия должен быть ограничен стро-го определенной группой организмов (табл. 12.21).
Таблица 12.21. Примеры трех основных типов инсектицидов и характеристика их использования
12.8.9. Пестициды и окружающая среда
Пестициды — это химические вещества, используемые для борьбы с вредителями, т. е. организмами, которые, по мнению человека, непосредственно затрагивают его интересы. Таким образом, пестициды — широкое понятие, включающее в себя гербициды, уничтожающие растения; инсектициды, уничтожающие насекомых; фунгициды, уничтожающие грибы и т.д. Большинство пестицидов — яды, вызывающие гибель нежелательных видов, но, как правило, к пестицидам относят также ингибиторы роста, и вещества, приводящие к стерилизации организмов. В Великобритании пестициды обычно используют в сельском хозяйстве при выращивании урожая; однако широко используются они и для защиты запасов продуктов питания, а также древесины, шерсти и других природных материалов. Во многих странах пестициды широко применяются в лесном хозяйстве и при борьбе с переносчиками различных заболеваний человека и животных (см., например, разд. 12.3.8). Пестициды используют по всему свету в самых разнообразных местообитаниях. Наиболее стойкие из них распространяются по всему земному шару, и их обнаруживают даже там, где они никогда не применялись, например в открытом океане или в высоких широтах. Таким образом, большая часть живых существ на земле контактирует с пестицидами. Конечно, человек давно уже употреблял природные органические пестициды (примером может служить пиретрум, получаемый из растения с таким же названием) или некоторые неорганические вещества, например CuSО4 (входящий в состав бордосской жидкости, используемой в виноградарстве), но наиболее широкое распространение новых синтезированных органических веществ (а к ним относится примерно 90% всех известных пестицидов) — это уже завоевание эпохи, наступившей после второй мировой войны. Понятно, что по всей планете организмы любого вида не сталкивались в ходе своей эволюции с такими веществами, которые теперь фактически стали новым фактором среды. Экологические последствия применения пестицидов предсказать трудно, что делает задачу изучения их чрезвычайно важной и интересной. Пока, к сожалению, мы не можем до конца оценить побочные результаты широкого применения пестицидов, такие, например, как уничтожение видов, с которыми не предполагалось вести борьбу, выработка устойчивости к пестицидам у видов-вредителей и хроническое воздействие пестицидов на человеческие популяции.
Наиболее важные экологические характеристики пестицидов — это токсичность, устойчивость, неспецифичность и независимость силы воздействия от плотности контролируемой популяции. Токсичность и устойчивость взаимосвязаны; проявляется это в том, что вещество, вызывающее летальный исход, но неустойчивое во внешней среде, со временем может оказаться менее эффективным, чем вещество, обладающее сублетальным действием, но являющееся более устойчивым. Объясняется это тем, что у такого устойчивого, но не очень ядовитого вещества больше шансов включиться в пищевые цепи и превратиться в ходе метаболизма в более токсичную форму, или же (что более вероятно)-накопиться в верхних звеньях пищевых цепей (см. разд. 12.3.8). Применение пестицидов в форме распыляемых порошков и разбрызгиваемых жидкостей приводит к их широкому распространению в воде и в воздухе, а тем самым и к включению в пищевые цепи там, где их применение даже и не предполагалось. Хлорорганические соединения (например, ДДТ), отличающиеся высокой устойчивостью и растворимостью в жирах, пожалуй, наиболее распространенные из всех пестицидов. Следы хлорорганических соединений обнаружены не только в организмах всех видов птиц, обитающих на Британских островах, но и, что гораздо более знаменательно, — в телах пингвинов, обитающих в Антарктиде.
Устойчивость рассматривается обычно как нежелательное свойство пестицидов, особенно если они попадают в продукты питания, однако в некоторых случаях, например при борьбе с паразитами или болезнетворными организмами, обитающими в почве, определенная степень устойчивости оказывается абсолютно необходимой по ряду чисто технических и экономических соображений. Токсичность для какого-либо конкретного вида организмов обычно определяется как 50%-ная летальная доза (ЛД50). Это — однократная доза введенного per os вещества, достаточная для того чтобы погибло 50% экспериментальной лабораторной популяции. В природных условиях та же доза может привести к гибели большей доли популяции, поскольку организмы испытывают дополнительный стресс от воздействия различных внешних факторов. Тем не менее по определению некоторые особи выживают и в этом случае. (Задачу использования пестицидов в сельском хозяйстве кратко можно сформулировать как снижение потерь урожая до некоторого уровня, определяемого простым экономическим балансом затрат и выгод.) К сожалению, выжившие особи служат основой для становления устойчивых к пестицидам популяций вредителей. Во всяком случае среди насекомых с их коротким жизненным циклом формирование способности противостоять пестицидам и выходить из-под их контроля наблюдается очень часто. Типичная реакция на подобные явления — это разработка новых пестицидов, что является делом дорогостоящим и, по мнению многих экологов, довольно бессмысленным, так как приводит к тем же самым результатам.
Большинство пестицидов открыто чисто эмпирически методом проб и ошибок или же в результате случайных наблюдений. Не всегда поэтому известно, каким именно способом вызывают пестициды гибель тех или иных организмов. Токсичность определенного пестицида может сильно варьировать для организмов, относящихся к разным систематическим группам, а иногда существенно различаться даже по отношению к близкородственным видам. Так например, в случае ДДТ LD50 для овцы (при расчете на единицу массы тела) больше, чем для крысы. У некоторых видов представители разных полов обладают различной чувствительностью к пестицидам: так, для самцов мышей LD50 по ДДТ составляет 500 мг⋅кг-1, а для самок-550 мг⋅кг-1. Эти различия в реакции на пестициды у отдельных организмов, особенно у представителей разных таксонов, могут быть использованы практически: к примеру, произрастающие среди посевов хлебных злаков сорняки двудольных могут быть уничтожены без нанесения заметного вреда возделываемым растениям и потребляющим их людям. Блохи и другие паразитические насекомые могут быть истреблены пестицидами так, чтобы не пострадали при этом хозяева-млекопитающие. Однако к заключению о безвредности того или иного пестицида надо подходить с крайней осторожностью. Недавние сообщения о заболеваниях рабочих, имевших многолетние контакты с фосфорорганическими соединениями[24], используемыми, например, в жидкостях для уничтожения паразитов на овцах, заставляют радикально пересмотреть установленные ранее санитарные нормы. Пока, в силу недавнего появления большинства пестицидов, еще крайне слабо изучены долгосрочные последствия длительного употребления даже малых доз пестицидов и, возможно, синэргические эффекты при контактах их с другими загрязнителями или с переносчиками заболеваний. В настоящее время все более возрастает озабоченность по поводу того, что "безвредные" следовые количества пестицидов (или продуктов их переработки), остающиеся в продуктах питания, хотя и не оказывают прямого токсического (не говоря уж о летальном) воздействия, могут тем не менее снижать устойчивость организмов к различным заболеваниям или же, переходя по пищевым цепям, накапливаться до опасных концентраций. В частности, именно присутствие пестицидов (особенно так называемых ПХБ-полихлорбифенилов) в Северном море способствовало, по мнению многих ученых, быстрому распространению летом 1988 г. вирусного заболевания в популяции обыкновенного тюленя.
В практике сельского хозяйства серьезные экономические проблемы могут возникать при воздействии пестицидов не только на виды-вредители, но и на виды, являющиеся хищниками по отношению к данным вредителям. Хорошим примером может быть история применения ДДТ для борьбы с бабочкой репницей (Pieris rарае), гусеницы которой наносят вред брюссельской капусте. Первоначально использование пестицида казалось успешным, но затем на обработанных территориях численность гусениц стала даже превышать ту, что отмечалась на контрольных (не обработанных) участках. Данный эффект еще более усиливался при повторных применениях ДДТ с целью регулирования новых вспышек численности вредителя. Изучение всей этой агроэкосистемы показало, что концентрация пестицидов на листьях быстро снижалась, благодаря росту уже существующих листьев и образованию новых. Однако содержание пестицидов в почве оставалось высоким, особенно при запашке остатков возделываемых растений. В результате яйца, отложенные после распыления пестицидов взрослыми особями, прилетевшими с других территорий, оказывались вне опасности, тогда как главные хищники, нападающие на гусениц репницы, а именно обитающий в почве жук Harpalus rufipes и сенокосец Phalangium opilio, существенно снижали свою численность и пищевую активность. Таким образом, пресс хищников значительно ослабевал, а численность гусениц начинала превышать уровень, наблюдавшийся до обработки пестицидами. Дальнейшее использование ДДТ еще более усугубило эту ситуацию.
Хищные виды обычно оказываются наиболее уязвимыми по отношению к применяемым пестицидам. Происходит это потому, что численность этих видов ниже численности жертв-вредителей, и соответственно затруднено восстановление их популяций после каких-нибудь нарушений. Особенно плохо положение тех хищников, которые питаются животными, устойчивыми к пестицидам, но содержащими небольшие количества их в жировой ткани. К тому же, отравленные, умирающие, больные и характеризующиеся нарушенным поведением особи гораздо чаще становятся добычей хищников, чем здоровые особи с нормальным поведением. Обычный результат применения пестицидов-снижение видового разнообразия. Продуктивность нижних трофических уровней экосистемы при этом нередко увеличивается, а более высоких — уменьшается. О том, как пестициды влияют на редуцентов, известно пока еще крайне мало. Почти не исследованным остается и вопрос о воздействии пестицидов на круговорот биогенных элементов и на плодородие почвы.
Серьезные проблемы, связанные с использованием пестицидов, особенно проблемы, касающиеся выхода вредителей из-под их контроля, а также риска для здоровья человека, приводят к тому, что очень быстро растет заинтересованность в развитии альтернативных подходов к борьбе с вредителями. Ниже кратко рассматриваются главнейшие из них; это — биологический контроль вредителей и интегрированная борьба с ними (осторожное, строго направленное применение пестицидов в сочетании с методами биологического контроля).
Биологический контроль
Под биологическим контролем за вредителями традиционно понимается регуляция численности их популяций естественными врагами: хищниками, паразитами и различными патогенными организмами. По сути дела такой контроль предполагает управление популяциями, не допускающее бесконтрольного экспоненциального роста численности видов вредителей. Некоторые исследователи рассматривают биологический контроль в более широком понимании, включая в это понятие и другие методы, например генетические. К биологическому контролю можно отнести и методы контроля сельскохозяйственных культур, а именно поддержание севооборота, соответствующая обработка почвы, использование смешанных культур, уборка растительных остатков и установление сроков сельскохозяйственных работ таким образом, чтобы они оказались благоприятными для возделываемых культур и популяций врагов вредителей, но не для самих вредителей. В своем классическом варианте биологический контроль наиболее успешно применяется по отношению к завезенным видам, у которых в новой среде нередко отсутствуют естественные ограничивающие факторы, как биологические, так и физические, связанные, например, с сезонными изменениями климата.
Борьба с червецом Icerya purchasi, начавшаяся в конце XIX в. на плантациях цитрусовых в Калифорнии, — первый пример действительно удачного, научно обоснованного биологического контроля за видом-вредителем. Червец этот был завезен случайно из Австралии, являющейся его родиной. В результате полевых исследований, проведенных в Австралии, были выявлены два природных врага червеца, а именно паразитирующая на нем муха Cryptochetum iceryae и хищная божья коровка Rodolia cardinalis. Эти враги червеца были интродуцированы в Калифорнию и после тщательного изучения (в том числе-после контролируемого выпуска в большие садки с цитрусовыми) выпущены в насаждения цитрусовых. Оба вида — паразит и хищник — быстро размножились и, распространившись, уже через несколько месяцев стали эффективно контролировать численность червеца Icerya purchasi.
Далеко не всегда, однако, удается так быстро достичь успеха. Во всяком случае скрупулезный анализ климатических условий и внимательное наблюдение за взаимоотношениями завезенного вида с аборигенными абсолютно необходимы. Так, при попытках борьбы с ореховой тлей Chromaphis juglandicola в Калифорнию было завезено из Канн (Франция) паразитическое перепончатокрылое Trioxys pallidus. Паразит этот прижился в прибрежных районах Калифорнии, но в более жарких континентальных районах (где как раз и достигала наибольшей численности ореховая тля) он вымер в течение одного сезона. Спустя десятилетие, потраченное на напряженные поиски паразитов тли в жарких и сухих местообитаниях, была ввезена в Калифорнию новая линия Trioxys, на сей раз из Ирана. Паразиты новой линии успешно перезимовали, и в течение следующего года уже более 50 тыс. квадратных миль (1 кв. миля = 2,59 кв. км) посадок цитрусовых были очищены от тлей, зараженность которых паразитами превышала порой 90%.
Биологический контроль может быть особенно эффективен, если он направлен на экзотические (не аборигенные) виды вредителей, угрожающие местной природной растительности или окультуренным пастбищам. Классическим примером может служить ситуация с кактусом опунцией в Австралии. Опунция, происходящая из Нового Света, стала серьезным вредителем целого ряда пастбищ в теплых районах Старого Света и Австралии. В поисках естественных врагов опунции энтомологи обнаружили 150 возможных кандидатов на интродукцию. Из них 51 был завезен в Австралию, где содержался в условиях карантина, 19 видов затем были выпущены в природную среду и из них 12 прижились. Однако долгосрочный эффективный контроль был достигнут с помощью только одного вида — Cactoblastis cactorum. При использовании в качестве агентов биологического контроля растительноядных насекомых необходимо выбирать высокоспециализированные виды (предпочтительнее даже, чтобы эти виды были монофагами). Не следует забывать, что в любом случае выпущенного в природу хищника (или фитофага) назад уже не вернешь. Поэтому абсолютно необходимо проведение очень тщательных предварительных исследований в местах исконного обитания предполагаемого вселенца, чтобы удостовериться в безвредности интродукции для экономически важных видов растений.
Биологический контроль широко применяется также в умеренных широтах в теплицах, где нередко выращивается основной урожай помидоров и огурцов. Два главных тепличных вредителя — это двух — пятнистый паутинный клещ Tetranychus urticae и парниковая белокрылка Trialeurodes vaporariorum. Стерилизация почвы в зимний период убивает всех возможных хищников, а вместе с новыми растениями, высаживаемыми в теплицу весной, обычно попадают новые белокрылки. Что касается паутинных клещиков, то они зимуют, забившись где-нибудь в щелях теплицы, а весной нападают на высаженные в теплице растения. Поскольку никаких врагов у этих вредителей нет, их популяции растут очень быстро вплоть до момента применения пестицидов или же восстановления контроля со стороны естественных врагов. Биологический контроль, для того чтобы быть эффективным, должен вступать в действие достаточно быстро. Поэтому естественных врагов белокрылки — паразита Encarsia formosia и хищника Phytoseiulus persimilis специально разводят в коммерческих масштабах. Запускают их обычно через неделю после преднамеренного выпуска вредителей, для того чтобы те, размножившись, могли обеспечить поддержание популяций паразита и хищника. Существует, правда, в общем понятное сопротивление растениеводов акту сознательного выпуска вредителей в теплицу. Другой возможный метод — это повторяющийся (обычно с 10-дневным интервалом) выпуск естественных врагов в тот период, когда вероятно появление в теплице вредителей. Для успешного контроля жизненно важно использовать естественных врагов уже на самых первых этапах становления популяций вредителей. Если критическое время упущено, то данный метод может не сработать — вредители выйдут из — под контроля.
Интегрированная борьба
Под интегрированной борьбой понимают обычно осуществление контроля над популяцией организма-вредителя, основанное на комплексном, интегрированном применении как биологических, так и химических методов ограничения роста численности. Пестициды при этом используются, но только так, чтобы не нарушать систему биологического контроля. Цель программы интегрированной борьбы — это управление популяцией вредителя экономически обоснованными и экологически оправданными способами. Популяция вредителя при этом должна поддерживаться на уровне, более низком, чем тот, при котором проявляется экономический ущерб, или же развитие ее вообще не допускается. Используемые методы в свою очередь должны причинять минимальный вред агроэкосистемам (или природным экосистемам), но благоприятствовать популяциям естественных врагов вредителя. В большинстве программ интегрированной борьбы предусматривается или полный отказ от дорогих и опасных для окружающей среды химических веществ или же крайне ограниченное и строго направленное их применение. Один из способов достижения этой цели — разработка пестицидов селективного действия. Так, например, появление афицида пиримор — карбаматного инсектицида, который строго избирательно действует на тлей, но почти не причиняет вреда их естественным врагам, положило начало программе интегрированной борьбы с персиковой тлей Myzus persicae и паутинным клещом Tetranychus — основными вредителями хризантем, выращиваемых в теплицах Англии. Раньше с этими вредителями боролись с помощью фосфорорганических инсектицидов, которые не обладали селективным действием, и к которым у тлей быстро вырабатывалась устойчивость. Теперь же паутинный клещ контролируется хищным клещом Phytoseiulus, а тля-инсектицидом.
По чисто экономическим причинам более удобным подходом является, однако, не столько разработка новых строго специализированных пестицидов (невыгодное для производителя соотношение затрат на исследования и внедрение в сравнении со спросом на рынке), сколько более прицельное использование пестицидов широкого действия. Такое узко направленное применение пестицидов может быть более ограниченным как в пространстве, так и во времени. Открытие и получение феромонов[25] намного сократило пространство, обрабатываемое пестицидами.
Используя, например, половые аттрактанты, можно заманить насекомых в какое-то определенное место, где их легко уничтожить пестицидами или стерилизовать с помощью специальных веществ, воздействующих на половую систему. Очевидно, что при этом используется значительно меньше пестицидов, а к тому же сокращается воздействие их на виды, не являющиеся вредителями, и вообще на все местообитание. Другой многообещающий путь использования феромонов — это подавление поведенческих реакций (обеспечивающих, например, эффективное спаривание) путем насыщения приземного слоя воздуха соответствующими феромонами (для чего достаточна очень низкая их концентрация). Насекомые привыкают к постоянно действующим стимулам, и необходимые для спаривания реакции подавляются. Частота применения пестицидов может быть уменьшена путем тщательного выбора такого момента, когда популяции вредителя причиняется наибольший ущерб (например, в период его спаривания) и в то же время минимизируется воздействие на другие обитающие в том же месте виды. Понятно, что подобная стратегия борьбы с вредителями требует тщательного изучения жизненных циклов всех затрагиваемых видов и глубокого понимания процессов, происходящих во всей экосистеме.
Программы интегрированной борьбы были с успехом осуществлены во многих сельскохозяйственных экосистемах, где ранее сплошная обработка посевов ядохимикатами широкого действия разрушила естественные взаимосвязи вредителей с их исконными врагами. Так, например, комбинированное использование феромонов и пестицидов позволило восстановиться популяциям естественных врагов бабочки репницы и соответственно перейти к другим методам ограничения численности этого опасного вредителя, способного нанести серьезный ущерб посевам всех видов капусты (Brassica).
Методы интегрированной борьбы в настоящее время широко применяются при выращивании хлопка, посевы которого ранее во всем мире обрабатывали пестицидами широкого действия с целью уничтожения рано появляющихся вредителей, например таких, как долгоносик Anthonomus grandis. Неудивительно, что подобная обработка вела к уничтожению естественных врагов вредителей, способствуя тем самым появлению новых вредителей (зачастую устойчивых к пестицидам), и вместе с тем требовала больших денежных затрат. В долине Канет (Перу) сплошная обработка монокультуры хлопка пестицидами практически уничтожила всю обитавшую там фауну и привела к экономической и экологической катастрофе. В середине пятидесятых годов законодательным путем было ограничено использование ядохимикатов широкого действия и одновременно стали поощряться такие методы борьбы с вредителями, которые основывались на внедрении смешанных культур, повторной интродукции полезных насекомых и использовании не столь устойчивых инсектицидов. К концу пятидесятых годов урожаи хлопка значительно возросли. Сходные системы мер были проведены и на хлопковых плантациях в других местах. В настоящее время методы интегрированной борьбы широко применяются при выращивании люцерны, цитрусовых, яблок, масличной пальмы, гевеи (каучукового дерева), какао и др. Очень широко используются эти методы и в тепличном хозяйстве.
12.9. Зеленая революция
Первоначально этот термин употребляли тогда, когда речь шла об успешном введении в культуру высокопродуктивных сортов риса и пшеницы с целью повышения производства пищи в развивающихся странах.
В конце сороковых годов низкорослые сорта пшеницы из Японии были скрещены с полукарликовыми американскими сортами. Выведение низкорослых форм злаковых культур в значительной степени решало проблему полегания стеблей с тяжелыми колосьями, что в свою очередь открыло возможности гораздо более широкого использования азотных удобрений и искусственного орошения с целью повышения урожайности. В результате проведенных мер урожай зерновых удалось увеличить в два раза.
Успех, достигнутый при выращивании пшеницы, подтолкнул к организации Международного центра по изучению риса на Филиппинах. Удачное скрещивание высоких мощных сортов из Индонезии и карликовых форм с Тайваня дало очень хороший сорт 1R8, который при использовании азотных удобрений созревает очень рано, что позволяет собирать два урожая за один сезон.
Описанные нововведения принесли, однако, и некоторое разочарование, поскольку выяснилось, что использование их связано с внесением большого количества дорогостоящих удобрений. Поэтому крестьянам эти нововведения особого преимущества не давали. Кроме того, из-за необычного вкуса и консистенции рис новых сортов часто оказывался непопулярным среди местного населения.
На выбор основной сельскохозяйственной культуры, используемой для пропитания, могут влиять различные факторы, порой не связанные с производством пищи. В обычно возделываемых зерновых злаковых может не хватать некоторых незаменимых аминокислот; например, в кукурузе очень низко содержание лизина и триптофана. Жители развитых стран предпочитают обычно получать необходимые аминокислоты из белков животного, а не растительною происхождения (содержащихся, например, в бобовых и злаковых). Зерно при этом скармливается животным, что добавляет лишнее звено консументов в пищевую цепь и создает, таким образом, довольно неэффективную систему, превращающую растительный белок в высококлассные животные белки.
Решение названных проблем может заключаться в:
1) развитии программ, направленных на отбор мутантов и выведение новых сортов, лучше приспособленных к климатическим условиям, или способных противостоять временному ухудшению погоды, например засухе;
2) развитии генной инженерии, способной перенести благоприятные гены в организм растения-хозяина, для того чтобы придать ему определенные качества, например устойчивость к какому-то заболеванию. В настоящее время уже предпринята попытка перенести NIF-гены (гены азотфиксации), обусловливающие взаимодействие бобовых растений с бактерией Rhizobium, в сельскохозяйственные культуры, не относящиеся к бобовым. Если данная попытка окажется успешной, это значительно сократит затраты на дорогостоящие азотные удобрения.
Для аридных зон выводятся сорта, способные выносить высокое содержание солей в почве. Оказывается, что некоторые виды обладают генами, определяющими возможность накапливать ионы солей в вакуолях (в качестве механизма детоксикации). Другие виды растений, видимо, способны переносить высокие концентрации ионов натрия в листьях без какого-либо отрицательного воздействия на рост и развитие.
У ряда растений устойчивость к засухе определяется, по-видимому, наличием в цитоплазме специальных веществ, которые ограничивают вредные последствия высыхания и которые способны быстро реактивироваться при наличии воды. По мнению некоторых исследователей, способность растения переносить засуху зависит прежде всего от структуры клеточных стенок, а также от размеров и формы клеток (или вакуолей).
Выражение "зеленая революция" в настоящее время используется в более широком смысле и обозначает просто успешное применение научно обоснованных методов растениеводства в тропических условиях.
Сельскохозяйственные технологии, позволившие увеличить производство органических веществ, обусловили продолжающийся быстрый рост мирового народонаселения. Тем не менее в Европе возможности получения пищи на базе совершенных технологий пересматриваются (например, в рамках сельскохозяйственной политики ЕЭС) в связи с наблюдающимся перепроизводством, уже приведшим к образованию "гор продуктов". Однако в мире в целом проблема нехватки пищи остается по-прежнему актуальной, так же как и проблема зависимости урожая от погодных условий, особенно количества выпадающих осадков.
По скорости прироста населения все страны можно разделить на три основные группы:
Группа 1. Страны, где скорость прироста населения меньше, чем 1,5% в год. Сюда относятся вся Северная Америка, Западная Европа и СССР, на долю которых в сумме приходится примерно 26% всего мирового населения.
Группа 2. Страны, где скорость роста составляет 1,5-2,5% в год. Это Китай, Япония, Южная Африка, на долю которых приходится около 28% мирового населения.
Группа 3. Страны, где скорость ежегодного прироста более 2,5%. Сюда относятся Индия, Пакистан, Индонезия и большая часть государств Африки. В сумме на эту группу приходится примерно 46% мирового населения. Было подсчитано, например, что Индия должна ежегодно увеличивать производство зерна примерно на 3 млн. т просто для того, чтобы прокормить увеличивающееся население. К тому же именно эти районы наиболее подвержены внезапным стихийным бедствиям (наводнениям или засухам), и следовательно, именно здесь наиболее вероятны предпосылки для возникновения голода.
Все сельскохозяйственные технологии направлены на то, чтобы повысить эффективность фотосинтетических систем и в конечном итоге увеличить продукцию сухого органического вещества, используемого человеком. Эффективность эта базируется на превращении солнечного излучения в прирост растительной массы. Выбор основной сельскохо-зяйственной культуры определяется, однако, не только желанием получить наибольший выход полезного продукта и не только ограничениями, накладываемыми климатическими условиями (прежде всего температурой) и активностью вредителей, но и разными привходящими обстоятельствами, а именно вкусовыми предпочтениями, легкостью возделывания, религиозными и социальными моментами. С целью удовлетворения пищевых потребностей растущего народонаселения (особенно в развивающихся странах) отмечается стремление расширить географические (определяемые возможностями адаптации растений к тому или иному климату) пределы возделывания различных культур, для чего осваиваются новые районы и вместе с тем выводятся новые сорта, способные успешно произрастать в пограничных (маргинальных) районах основного ареала.
Сельское хозяйство, в той форме, в какой оно развивается на Западе, зависит от больших вкладов энергии (механизация) и от интенсивного использования азотных удобрений. Производство таких удобрений связано не только с потреблением атмосферного азота, но также требует большого количества энергии. Интенсивное земледелие возможно, таким образом, только на малой части сельскохозяйственных угодий. Поэтому в мировом масштабе основное внимание уделяется селекции новых сортов, способных дать больше высококачественной пищи, но вместе с тем требующих при культивировании меньшего вклада энергии и меньшего количества азотных удобрений. Подобная целевая установка сочетается с необходимостью использовать для выращивания сельскохозяйственной продукции новые местообитания и расширять сам круг возделываемых культур. Так, например, в Великобритании обычной культурой стал теперь рапс и изучены возможности выращивания подсолнечника (для производства масла).
Программы интенсивного земледелия, основывающиеся на искусственной оптимизации внешних условий, позволили добиться высоких урожаев. Использование теплиц и гидропоники дает возмож-ность особенно четко выявить основные принципы, связанные с такими программами.
12.9.1. Теплицы
В полевых условиях скорость фотосинтеза определяется не только уже упомянутыми выше физиологическими и генетическими факторами, но зависит также от:
1) минерального питания растений;
2) водного режима;
3) наличия патогенных для растений микроорганизмов;
4) теплового стресса;
5) ветра;
6) возраста растения и его листьев: факторы, препятствующие быстрому наступлению старения, увеличивают интенсивность фотосинтеза. Например, цитокинины задерживают старение листьев. В листьях, обработанных цитокининами (бензиладенином и кинетином), интенсивность фотосинтеза заметно повышается по сравнению с интенсивностью фотосинтеза в листьях контрольных растений.
Для того чтобы получить высокий урожай, необходимо контролировать все указанные факторы, поддерживая значения их на наиболее оптимальном для растений уровне. Выращивая растения под стеклом или дешевым пластиком (например, под полиэтиленовой пленкой) можно достичь гораздо более строгого контроля над окружающими условиями, что позволяет получить урожай вне обычного для данной культуры сезона и соответственно с выгодой сбыть товар на рынке. Теплицы очень удобны также для выращивания рассады.
Технология выращивания сельскохозяйственных культур в теплицах во многом определяется конкретными особенностями тех или иных растений, но общие принципы сводятся к следующим:
1. Контроль за температурой. У большинства растений хорошо выражен определенный диапазон оптимальных температур. Поддержание оптимальной температуры достигается подогревом зимой, и затенением и вентиляцией летом. В больших коммерческих теплицах температура тщательно контролируется и регулируется посредством автоматического управления системой вентиляции.
2. Вентиляция. Посредством вентиляции достигается необходимый приток свежего воздуха, возобновление запаса диоксида углерода, а также поддержание соответствующей температуры и влажности.
3. Поливной режим и влажность. Растения очень сильно различаются по необходимому для них уровню увлажненности. Кактусы, например, лучше всего чувствуют себя в сухом воздухе, а широколиственные растения требуют порой значительной влажности. Поддержание определенной влажности необходимо и для того, чтобы контролировать распространение грибковых заболеваний. Повысить уровень влажности можно, разбрызгивая воду или используя специальные генераторы тумана. Многие из перечисленных выше операций контролируются теперь с помощью компьютеров. Предпринимались также попытки искусственного увеличения концентрации СО2 в закрытых теплицах. Это приводило к увеличению урожая, но требовала дорогостоящего оборудования. Иногда используют различные колпачки из пластика, которыми закрывают растения, высаженные в открытом грунте; тем самым повышают температуру и сохраняют необходимую влажность.
12.9.2. Гидропоника
Данный метод получения сельскохозяйственной продукции основывается на принципах, выявленных в ходе давно проводимых экспериментов по изучению минерального питания растений (что достигалось выращиванием растений на питательных растворах разного состава). Системы гидропоники устанавливают теперь в теплицах при непрерывной циркуляции питательного раствора, за счет которой не только приносятся необходимые биогенные элементы, но и осуществляется аэрация корней. Состав питательной среды находится под постоянным наблюдением и регулируется с помощью компьютеров. Корневая система находится в песке или в гравии. Гидропоника используется обычно там, где: а) земля бедна биогенными элементами; б) лимитирована вода; в) есть потребность в некоторой сельскохозяйственной продукции, выращиваемой вне обычного сезона и потому реализуемой по высоким рыночным ценам.
Таблица 12.22. Отмеченное увеличение урожая при выращивании его методом гидропоники
12.10. Охрана природы
Основную цель охраны природы можно сформулировать следующим образом: это поиск таких методов эксплуатации биологических и минеральных ресурсов Земли, которые позволят создать условия, оптимальные для всех связанных общей судьбой живых существ планеты, в том числе и человека. Для достижения этой цели необходима не только практическая деятельность по защите среды и сохранению ее в состоянии пригодном для обитания, но и разъяснение важности этих проблем и мероприятий. Накопленные экологические данные позволяют надеяться на то, что при бережном отношении к воде, земле и природе вообще человечество сможет и в будущем обеспечить себя всем необходимым: пищей, жильем, промышленной продукцией, сохранить физическое и интеллектуальное здоровье и возможности для нормального отдыха.
Охрана природы это совсем не то же самое, что охрана памятников старины, когда объект поддерживается в неизменном виде. Процессы, происходящие в биосфере чрезвычайно сложны и изменчивы, а значит и охрана природы должна быть гибкой и динамичной. Для эффективного управления природой необходимо знать, что происходит в окружающем нас мире; эти знания дает экология и другие науки о Земле.
Вся деятельность по охране природы в неявном виде определена нашим отношением к миру, в котором мы живем. Это своего рода этика охраны природы; вкратце ее можно выразить следующими высказываниями:
"Мы унаследовали мир от наших родителей, но гораздо больше взяли взаймы у собственных детей"
"Обмани Землю, и она обманет тебя"
"Вымирание необратимо!"
Таким образом, проблема охраны природы часто затрагивает нравственные и политические аспекты.
Чтобы охрана природы была эффективна, необходима интеграция задач, которые ставит перед собой наука и общество. Длительное процветание человеческого общества возможно лишь при благополучном состоянии биосферы. Но на небольших отрезках времени цели охраны природы часто находятся в противоречии с прогрессом в развитии общества и промышленности. Таким образом, результаты охраны природы часто бывают чрезвычайно противоречивы и многогранны. Ниже приводятся некоторые примеры того, какова практическая роль охраны природы.
Сохранение генетического разнообразия. Это один из важнейших доводов в пользу охраны влажного тропического леса, обладающего высоким видовым разнообразием. Культурные растения и животные также являют собой источник генетического материала, а значит, и они нуждаются в охране. Этот материал хранится в многочисленных, разбросанных по всему миру, банках семян и спермы. Предположим, что в окружающей среде произойдут значительные изменения абиотических или биотических факторов, например наступит глобальное потепление климата, обусловленное парниковым эффектом, или под влиянием спонтанных или индуцированных мутаций появятся новые паразиты и болезни. Даже в этом случае накопленный наследственный материал окажется бесценным источником новых пород домашних животных и сортов сельскохозяйственных культур, которые будут приспособлены к новым условиям среды.
Восстановление заброшенных земель, таких, как отвалы шахт и каменоломни и создание на их месте лесов, парков, или сельскохозяйственных угодий, а также создание новых участков суши-все это уменьшает пресс цивилизации на мало нарушенные ландшафты сельской местности.
Вторичное использование отходов значительно снижает расход сырья. Так, если бумагу не сжигать безо всякой пользы и не выбрасывать, а перерабатывать вновь, то потребности бумажной промышленности в древесине резко уменьшатся. Бытовой мусор можно использовать для получения энергии, сжигая его в системах отопления небольших районов. При этом необходимо принять меры по снижению загрязнения воздуха.
Сохранение лесов на водоразделах предотвращает эрозию, слишком быстрый отток дождевой воды по склонам и паводки, и в то же время позволяет сберечь древесину, которую можно будет использовать в будущем.
Сохранение ресурсов моря и суши.
12.10.1. Земля как космический корабль
В течение многих тысяч лет человеческая деятельность не наносила природе заметного ущерба. Если в какой-либо местности истощались ресурсы, люди откочевывали в другие районы. Там они выжигали лес и возделывали освободившиеся участки, или находили иное пропитание. В сообществах охотников-собирателей существовала полная гармония между потребностями человека и возможностями природы; такой уклад жизни сохранился и по сей день у бушменов Калахари, аборигенов Австралии и эскимосов.
Серия технологических революций, которые претерпела история человечества, нарушили равновесие между человеком и природой. Возникновение 10000 лет назад земледелия и животноводства привело к быстрому росту населения, в результате которого постепенно появились первые крупные поселения. Затем произошли дальнейшие революционные сдвиги в технологии добывания пищи, здравоохранении и промышленности, превратившие мизерное по началу население земного шара в огромное технически оснащенное общество, которому требуется все больше сырья и энергии. В шестидесятые годы XX века, когда люди впервые покинули планету, появилась первая возможность взглянуть на Землю из космоса, после чего все ясно осознали, что возможности для роста населения и ресурсы Земли не беспредельны.
Итак, экологи пришли к заключению, что Земля — это космический корабль, оснащенный всем необходимым для длительного полета, но не имеющий никаких иных источников энергии, кроме собственных, а также лучистой энергии ближайшей звезды — Солнца. Считается, что жизнь на Земле существует примерно 3,5 млрд. лет и нет никаких оснований опасаться, что она не просуществует по крайней мере еще столько же, если мы сами не уничтожим ее.
Как сказано в разд. 12.3, энергия, необходимая для жизни, поступает на Землю в основном в виде солнечного излучения, которое используется зелеными растениями для фотосинтеза, а от них поступает далее в пищевые цепи, и следовательно, управляет биогеохимическими циклами. Кроме того, солнечная энергия определяет климатическую зональность планеты и океанические течения, т.е. непосредственно влияет на среду обитания живых существ.
В 1980 г. три всемирные организации (UNEP, IUCN, WWF) разработали Международную программу охраны природы, основу которой составляет экологический анализ того, как управлять космическим кораблем-Землей. В этом документе указывается, что сохранение физических свойств среды и охрана растительных сообществ планеты — это тот минимум, который необходим для поддержания системы жизнеобеспечения. Атмосфера, океан и почва дают жизнь растениям, а они обеспечивают существование всех животных, и в то же время представляют собой важнейший фактор, препятствующий эрозии почвы.
Кроме того, Международная программа охраны природы постулирует необходимость сохранения генетического разнообразия. В процессе эволюции возникло великое множество разнообразных живых существ, появившихся в результате естественного или искусственного отбора. При вымирании видов происходит непрерывная потеря биологических ресурсов, и это обязательно скажется на будущем благополучии человечества. В Международной программе охраны природы впервые выдвинута концепция оптимального использования экосистем Земли. Согласно этой концепции, все население земного шара может рассчитывать на удовлетворительные условия существования до тех пор, пока система жизнеобеспечения используется нормально и не происходит подавления других обитателей "космического корабля", ведущего к их гибели. Многие представители флоры и фауны Земли могут оказаться в будущем более полезными, чем это представляется сейчас.
12.10.2. Загрязнение-результат ошибок в эксплуатации системы жизнеобеспечения
До самого последнего периода истории Земли живые системы планеты эволюционировали почти в полной гармонии с атмосферой, гидросферой и литосферой, не испытывая влияния человеческой деятельности. Но по мере развития сельского хозяйства и промышленности воздействие человека на среду стало все заметнее. Повсеместная индустриализация, особенно развернувшаяся за последние два столетия, привела к потенциально опасным уровням загрязнения среды.
Можно сказать, что загрязнение — это поступление в окружающую среду каких-либо веществ или энергии в таких больших количествах или в течение столь длительного времени, что эти вещества или энергия начинают наносить ущерб людям и окружающей их природе. Легко распространяясь от одних компонентов системы жизнеобеспечения к другим, загрязнение в той или иной степени влияет на все параметры среды — антропогенные и природные, физические и биотические. Например, поступление в атмосферу чрезмерного количества некоторых газов ведет к возникновению "кислотных дождей" (гидросфера), которые в свою очередь приводят к закислению почвы (литосфера), а также к глубоким изменениям в лесных и водных экосистемах (биосфера), разрушению зданий и других объектов человеческой деятельности.
Загрязнение атмосферы
Еще в начале шестидесятых годов считали, что загрязнение атмосферы — это локальная проблема больших городов и индустриальных центров, но позже стало ясно, что атмосферные загрязнители способны распространяться по воздуху на большие расстояния, оказывая неблагоприятное воздействие на районы, находящиеся на значительном удалении от места выброса этих веществ. Таким образом, загрязнение атмосферы — это глобальное явление, и для контроля за ним необходимо международное сотрудничество. К числу наиболее распространенных загрязнителей атмосферы относятся такие газы, как хлорфторуглероды, диоксид серы (SО2), углеводороды и оксиды азота (NOх).
Загрязнение может привести к значительному снижению естественной концентрации газов, входящих в состав атмосферы, например озона (О3) в стратосфере. Но поразительно другое: концентрация озона выше в тех районах, где среднемесячное содержание загрязнителей в нижних слоях атмосферы составляет 200 млн.-1, чем там, где максимальная величина загрязнения не превышает 0,04 млн.-1. Подобные аномалии высоких концентраций озона наносят ущерб многим сельскохозяйственным культурам, например томатам: суммарные потери урожая за счет избытка О3 составляют в Калифорнии около 1 млрд. долларов в год. В сочетании с углеводородами и соединениями группы NOx озон может представлять собой прямую опасность для здоровья людей, и кроме того, является одной из важных составных частей фотохимического смога. Пыль, шум, чрезмерное количество тепла, радиация и электромагнитные поля, все это — загрязнение атмосферы. Детальное обсуждение полного перечня загрязняющих веществ, эффектов их воздействия и методов контроля за ними выходит за рамки настоящего изложения (см. D. Elson, 1987. Atmospheric pollution, Blackwell). Все возрастающая концентрация диоксида углерода, вклад этого и других газов в создание планетарного парникового эффекта обсуждались в разд. 12.4.1. Ниже речь пойдет о двух других актуальных глобальных проблемах; одна из них — обеднение озонового слоя (образование озоновых дыр), другая — "кислотные дожди".
Обеднение озонового слоя. Атмосфера — это термостатический и радиационный щит Земли. В верхних слоях атмосферы на высоте 15-50 км от земной поверхности кислород и озон поглощают большую часть поступающей извне коротковолновой радиации. Это ультрафиолетовое излучение (УФ), рентгеновские и гамма-лучи, которые по своей физической природе пагубны для живых существ, так как разрушают их генетический аппарат. По оценкам, полученным в США, при уменьшении концентрации озона стратосферы на 5% интенсивность УФ-излучения у поверхности Земли возрастет на 7,5-15%, что может повлечь за собой увеличение заболеваемости раком кожи на десятки, а то и сотни тысяч случаев в год.[26] При поглощении излучения озоном происходит прогрев стратосферы, возникает хорошо выраженный слой температурной инверсии (в отличие от температуры стратосферы, температура тропосферы, т. е. нижнего слоя атмосферы, по мере возрастания высоты падает). Существование этого слоя заметно ограничивает интенсивность и масштабы конвективного перемешивания атмосферы, поэтому любые нарушения слоя инверсии приведут к резкой глобальной смене погодных условий, а значит и к изменению климата на Земле.
В верхних слоях атмосферы молекулы кислорода (О2) диссоциируют под действием излучения на атомы (О), которые соединяются с молекулами, образуя озон (О3). Под действием солнечного света эта реакция обратима (О3 + О↔2О2). В "озоновом слое" концентрация озона поддерживается на некотором равновесном уровне в 1 млн.-1.
Хлорфторуглероды представляют собой группу химических соединений, куда входят, в частности, четыреххлористый углерод и хлороформ. Обычно хлорфторуглероды используют в качестве растворителей, распылителей аэрозолей и фреонов в холодильниках. Эти вещества сравнительно устойчивы в нижних слоях атмосферы, где часто способствуют возникновению парникового эффекта (см. разд. 12.4.1). Они очень летучи и поэтому в конечном счете оказываются в стратосфере. На высоте более 25 км хлор- и фторсодержащие соединения распадаются под влиянием солнечного света, высвобождая атомы хлора или фтора, которые реагируют с озоном, причем каждый такой атом разрушает 105 молекул озона, т.е. диссоциация озона на молекулярный и атомарный кислород происходит с большей скоростью, чем обратная реакция.
Таким образом, примесь хлорфторуглеродов нарушает равновесие между кислородом и озоном. При современном уровне загрязнения этими соединениями через 20 лет количество озона уменьшится на 10%, а за полвека может разрушиться около двух его третей. В 1987 г. впервые наблюдалось полное, хотя и носившее сезонный характер, разрушение озонового слоя над Антарктидой.
Кислотные дожди. Кислотные дожди — не простое и не единичное явление. При сжигании ископаемых горючих материалов образуется диоксид серы (SО2) и оксиды азота (NOx), а при неполном сгорании образуются еще и углеводороды. Все эти вещества поступают в атмосферу в газообразном состоянии, но иногда "вымываются" оттуда, выпадая на землю с осадками. Во всех промышленных районах, таких, как восточная часть США, Западная Европа и северовосточные районы Китая и Японии, иногда выпадают дожди, рН которых значительно ниже 4,0 (в норме нижний предел кислотности дождевой воды равен 5).[27]
Частое выпадение кислотных дождей (рН < 5) нередко приводит к крупным изменениям в экосистемах и повреждению зданий. Подобные явления обычны для государств, граничащих с теми, в которых находятся наиболее мощные источники загрязнения. Так, кислотные дожди, выпадающие в Норвегии и Швеции, — это результат загрязнения воздуха в Великобритании и Западной Европе, причем вредные вещества распространяются господствующими ветрами, дующими на большой высоте. В Центральной Швеции и Северной Норвегии под действием кислотных дождей снизились уловы лосося и форели, пострадали леса. Повреждение деревьев, связанное с кислотным загрязнением, — явление, очень распространенное сейчас в Европе, и есть данные о том, что в Англии от такого загрязнения страдают бук и тисс.
Нередко обнаруживается, что там, где почва бедна карбонатами (такие почвы образуются, например, на подстилающих гранитных породах), и не в состоянии нейтрализовать воздействие кислотных осадков, страдает фауна озер и рек. Особенно чувствительными оказываются молодь и икра рыб. В частности, в Скандинавии проблема осложняется тем, что килотные загрязнители, накопившиеся за зиму в снежном покрове, быстро высвобождаются весной при таянии снега и сразу попадают в большом количестве в талую воду в самый разгар нереста и выклева мальков.
Под влиянием кислотных дождей магний и кальций вымываются из почвы и листового опада, а алюминий, марганец и тяжелые металлы постепенно проникают в почвенные воды, где могут достигать токсических концентраций, приводящих к гибели корней деревьев и к разрушению микоризы. В результате этого снижается способность деревьев получать из почвы воду и минеральные соли. Болезни, связанные с недостатком минерального питания, стали весьма обычными, причем в условиях пониженной влажности заболеваемость деревьев увеличивается. К категории кислотных дождей следует отнести озонно-кислотные туманы, служащие, видимо, одной из важнейших причин суховершинности древостоя в Шварцвальде (ФРГ), а также выпадение сухих кислотных осадков. Озон образуется при взаимодействии углеводородов и оксидов азота в самых нижних слоях атмосферы под влиянием солнечного света. Даже в том случае, когда концентрация каждого отдельного загрязнителя безвредна, смесь таких веществ, как озон, диоксид серы, оксиды азота, другие фотооксиданты и тяжелые металлы, может привести к сильному угнетению растительности. В сочетании с климатическими стрессами, особенно засухой, такой "коктейль" из загрязняющих веществ часто бывает причиной гибели деревьев.
Таким образом, выражение "кислотные дожди" фактически обозначает несколько разнообразных явлений. Методы борьбы с закислением, например внесение извести в озера (Швеция) или лесную почву (ФРГ) дают лишь кратковременный положительный эффект. Серьезных успехов в этом направлении можно достигнуть лишь одним способом-снижением количества газообразных загрязнителей, поступающих в атмосферу. Особое внимание следует сосредоточить на уменьшении выбросов диоксида серы, который поступает в атмосферу в особенно больших количествах, а источники выбросов сравнительно легко обнаружить: это промышленные предприятия, главным образом работающие на угле электростанции. Кроме того, существуют эффективные и доступные, но дорогостоящие технологии десульфуризации[28] при использовании которых диоксид серы в атмосферу не выбрасывается. В долгосрочной перспективе, видимо, также важно будет ограничить поступление в атмосферу углеводородов и оксидов азота.
Загрязнение воды
До последнего времени загрязнение воды было локальным явлением, касавшимся преимущественно промышленно развитых стран. Проблема эвтрофизации, вызванной применением чрезмерного количества удобрений при интенсивном ведении сельского хозяйства, а также сточными водами, обогащенными фосфатами, уже обсуждалась в разд. 12.4.1. Такие ситуации все чаще возникают то в одном, то в другом уголке земного шара, затрагивая не только пресноводные, но и морские экосистемы. Например, летом 1988 г. огромное, протяженностью в несколько миль пятно "цветения" планктонных водорослей покрыло часть Северного моря и достигло Балтики. Сброс плохо очищенных сточных вод из населенных пунктов побережья приводит к возникновению прямой угрозы для здоровья купающихся в море людей и для морских животных.
Городские стоки и крупные свалки часто бывают причиной загрязнения вод тяжелыми металлами и углеводородами. Поскольку тяжелые металлы накапливаются в морских пищевых цепях, их концентрация может достигнуть летальных доз, что и произошло после большого промышленного выброса ртути в прибрежные воды Японии близ г. Минимата. Повышенная концентрация этого металла в тканях рыбы привела к гибели многих людей и животных, съевших зараженный продукт. Сублетальные дозы тяжелых металлов, пестицидов и продуктов переработки нефти могут заметно ослаблять защитные свойства организмов. Концентрация полихлорбифенилов (известны еще и как канцерогены) в Северном море достигает в настоящее время 0,000002 млн.-1, а в тканях дельфинов, представляющих собой конечное звено пищевой цепи, их концентрация достигает уже 16 млн.-1. Страны, расположенные на побережье Северного моря с недавнего времени проводят комплекс мероприятий, направленных на снижение, а в перспективе и на полное прекращение сброса в море и сжигания токсических отходов. Что же касается законодательных мер по контролю за нефтяным загрязнением при работе нефтяных терминалов и слива балластной воды из нефтеналивных судов, то они были приняты гораздо раньше, после того как стала очевидной опасность больших разливов нефти из танкеров (как, например, это было при аварии Торри Каньон в 1967 г.). Результаты исследований показали, однако, что малоизвестные небольшие по объему, но постоянно повторяющиеся разливы и утечки нефти наносят экосистемам даже больший ущерб, чем нашумевшие катастрофы. Детергенты, применяемые для уничтожения нефтяных пятен с поверхности моря, часто оказываются более опасными для среды, чем сама нефть. Настоятельно необходимо дальнейшее изучение проблемы и дальнейшее совершенствование мониторинга нефтяного загрязнения моря.
На пути юридического контроля загрязнений морской, а особенно открытой океанической среды возникают большие трудности, поскольку проблема уничтожения отходов стала сейчас для многих государств весьма острой, а незаконный сброс их в море чрезвычайно привлекателен. Вредные химические соединения и радиоактивные отходы, попавшие в море, постепенно разносятся течениями и волнами, но если они попадают в мелководные приконтинентальные моря, и особенно на литораль, то немедленно наносят вред экосистеме, еще до того, как удается принять эффективные меры борьбы с этим воздействием. В этом отношении малые моря особенно уязвимы. Воды Ирландского моря имеют более высокую радиоактивность, чем в других приконтинентальных морях, а объясняется это утечками на атомной станции в Селлафилде.
Еще одна серьезная проблема связана с эрозией почвы. В результате эрозии увеличивается количество взвеси в речных и морских прибрежных водах. Есть данные о том, что наличие взвеси в воде благоприятно для рыболовства, однако это не доказано. Вместе с тем совершенно очевидно, что осаждение чрезмерного количества взвеси ведет к разрушению коралловых рифов. Так, на Большой барьерный риф неблагоприятное воздействие оказало уничтожение лесов на континенте.
Уничтожение лесных богатств Земли
Лес — это естественная устойчивая формация растительного покрова обширных областей земного шара, занимавшая до последнего времени одну треть поверхности суши. Если площадь, занятая лесами умеренной зоны, уменьшается незначительно, то тропические леса исчезают с такой скоростью, что к 2000 г. будут занимать лишь 30 млн. га или 7% суммарной поверхности суши, тогда как в 1950 г. эта цифра составляла 15%. Каждый год в мире уничтожается лес на 12 млн. га (что равно площади Англии), а еще 10 млн. га лесов деградируют, так как вырубка ценных пород на этих площадях не сопровождается соответствующим лесоустройством и природоохранными мероприятиями. А между тем тропические леса крайне нуждаются в охране. В древесине ценных пород заинтересованы практически все страны мира, и следовательно, все они должны отвечать за состояние тропических лесов. Страны Третьего мира, где эти леса произрастают, слабо развиты и не в состоянии самостоятельно справиться с этой задачей.
Традиционная практика расчистки лесов под пашню с помощью подсечно-огневого метода долгое время не приносило лесу ощутимого вреда, так как плотность населения была невелика. Необходимо также подчеркнуть, что времени, на которое поле забрасывали и оно снова зарастало, хватало для того, чтобы восстанавливалась естественная лесная экосистема и плодородие лесных почв. Позже, когда численность населения возросла и появились такие конкурентные виды землепользования, как постоянные сельскохозяйственные плантации или затопление при строительстве ГЭС, периода "отдыха" земли стало не хватать, и для освобождения новых посевных площадей потребовалась дополнительная вырубка лесов. Но развитие сельского хозяйства — не единственная причина уничтожения тропического леса: там заготавливают дрова и ценную древесину тропических пород (например тисс, и красное дерево), кроме того, лес вырубают и выжигают, расчищая пространства под пастбища. За сложившуюся ситуацию ответственны не только страны Третьего мира. Крупномасштабное уничтожение тропических лесов является результатом как роста численности местного населения (мелким фермерам нужно все больше земли и топлива), так и эксплуататорских интересов богатых стран в получении по низким ценам ценнейшей древесины и мяса.
Уничтожение лесов чревато серьезными последствиями.
а) Оно сопровождается уменьшением количества сырья и продуктов, которые всегда давал лес, а местное население использовало для своих нужд. Это — ценная древесина, стройматериалы, топливо, мед, дикие фрукты, охотничья дичь и дикорастущие растения.
б) Во всем мире неуклонно возрастает потребление лесоматериалов (строительство), древесной массы (производство бумаги) и ценной древесины тропических пород (изготовление мебели). Однако длительная добыча этого сырья в столь больших объемах может нанести тропическим лесам невосполнимый ущерб.
в) Леса, произрастающие на горных склонах и водоразделах, задерживают большое количество дождевой воды и медленно отдают ее в ручьи и реки. Уничтожение лесов — важнейшая причина наводнений в долинах. Индия на борьбу с наводнениями ежегодно тратит 1 млрд. долларов. Летом 1988 г. в Бангладеш происходили небывалые наводнения, охватившие всю страну. Основная причина бедствия — уничтожение горных лесов вблизи северных границ государства — в Индии и Непале. Чтобы возместить нанесенный наводнениями ущерб, необходимы международная помощь и сотрудничество разных государств.
г) Уничтожение лесов ведет к эрозии почвы, а эрозия в свою очередь — к экономическому спаду и голоду. Источники чистой воды загрязняются, возникают заболевания, как это имело место в Бангладеш. Заиление водохранилищ сокращает срок их службы, а порты и эстуарии необходимо постоянно расчищать, чтобы они оставались судоходными.
д) В результате сведения лесов усиливается возрастание концентрации диоксида углерода (см. разд. 12.4.1) и увеличивается альбедо земной поверхности. Оба этих фактора могут стать причиной глобальных и длительных изменений климата.
е) Уменьшение площади лесов может повлечь за собой изменение количества атмосферных осадков и частоты их выпадения, в результате чего могут быть утеряны весенние запасы воды, необходимые для нормального развития природных сообществ.
ж) В лесах обитают наиболее богатые по числу видов и их разнообразию природные сообщества. При их нарушении исчезает масса малоизвестных и редких живых существ, происходит значительная потеря генетического разнообразия и потенциальных ресурсов.
Эрозия почвы и потеря плодородных земель
Уничтожение лесов — не единственная причина эрозии почвы: это явление наблюдается и при чрезмерной эксплуатации пашни и пастбищ. Формирование почвы — длительный процесс (разд. 12.5) и сейчас на планете в целом разрушение почвы происходит гораздо интенсивнее, чем ее образование. Особенно значительная эрозия возникает в холмистых местностях, где выпадает много осадков и происходит активная вспашка земли. Во многих районах Юго-Восточной Азии издавна существует система террасного земледелия, которая позволяет хорошо удерживать почву даже там, где нет леса. Применение этого агроприема наряду с безотвальной вспашкой и сооружением на полях перемычек, препятствующих вымыванию почвы во время дождей — основные меры борьбы с эрозией. Примеры такой сберегающей почву культуры земледелия имеются на Бали, тогда как на соседней Яве быстрый рост населения и преобладание мелких единоличных хозяйств привели к значительному оскудению запасов плодородных земель. Вследствие эрозии во всем мире ежегодно теряется 5 млн. га плодородной пахотной земли.
На пастбищах, где происходит перевыпас скота, часто уничтожается растительный покров, удерживающий плодородный слой почвы. Растения выедаются целиком и погибают, в результате чего дождевая вода беспрепятственно размывает поверхность почвы, вызывая обширную эрозию, что в конечном итоге ведет к возникновению глубоких оврагов. Ежегодно в мире из-за перевыпаса и последующей эрозии теряется около 7 млн. га пастбищных угодий, многие из которых превращаются в пустыню.
Пустыни обычно возникают естественным образом, однако этот процесс, называемый опустыниванием, часто ускоряется в результате деятельности человека. Треть поверхности суши располагается в засушливых и полузасушливых областях, а 700 млн. человек, населяющие эти области, находятся буквально на грани выживания. Хозяйственная деятельность этих малоимущих людей вызывает значительную эрозию почв, но у них нет иного выхода. Размеры Сахеля, полузасушливого пояса, расположенного в Африке южнее Сахары, увеличиваются из-за перенаселенности и слишком интенсивного выпаса скота. Процесс опустынивания можно остановить и снова превратить пустыню в оазис. Для этого необходимо переселить население в другие районы и насадить леса. В силу административных, социальных, экономических и политических причин эта задача чрезвычайно трудна, однако ее решение привело бы к увеличению количества и регулярности выпадения осадков, что в свою очередь через изменение величины альбедо влияло бы на климат.
Вопросы для обдумывания
1. а) Для любой из тем, обсуждавшихся в этом разделе, или разд. 12.4.1 (парниковый эффект или эвтрофизация) составьте итоговую таблицу, из которой было бы видно, кто расплачивается за загрязнение среды, а кто получает прибыль.
б) Когда владельцу предприятия, загрязняющего среду, приходится оплачивать мероприятия, направленные на борьбу с загрязнением, эта сумма включается в себестоимость продукции (принцип "нарушитель платит за все"). Чем выгоден такой подход, и в чем трудности его применения?
12.10.3. Сохранение генетического разнообразия
Эволюционный процесс всегда сопровождался гибелью видов, не выдержавших борьбы за существование. Вымирание необратимо — дронта и динозавров не возродить. В настоящее время скорость вымирания видов все увеличивается, и это связано с нарушением местообитаний организмов, увеличением степени эксплуатации природных популяций, сокращением природных ландшафтов под влиянием расширяющейся деятельности человека. По существующим оценкам сейчас на Земле ежедневно исчезает один вид. Многие виды, особенно обитатели влажных тропических лесов, вымерли еще до того, как были описаны систематиками. Больше всего страдают насекомые. Каждый десятый из живущих сейчас видов высших растений или животных находится под угрозой вымирания. Большая панда (Ailuropoda melanoleuca) — один из подобных примеров.
Этот вид, изображение которого служит символом Всемирного фонда охраны природы, обитает в Восточном Тибете и юго-западных районах Китая. Косолапое существо с грустной мордой завоевало симпатию миллионов людей. Был момент, когда вид этот подвергался очень большой опасности, так как его местообитание — бамбуковый лес, стали все чаще посещать люди. Было решено сохранить большую панду, лес стал заповедником, и с тех пор популяция этого вида увеличилась примерно до 1000 особей. Большая панда питается почти исключительно молодыми проростками бамбука, растения с циклической сменой периодов высокого и низкого обилия. В 1983 г. в провинции Сычуань на большой площади неожиданно вымер бамбуковый лес, в результате чего по меньшей мере 59 панд погибли от голода. Без помощи человека этот угрожаемый вид мог в подобной ситуации вообще исчезнуть с лица Земли.
Только в самые последние годы достаточно широко развернулись исследования по экологии и физиологии большой панды в естественных условиях. Сейчас стало совершенно очевидно, сколь уязвим этот вид и как трудно ему при современных условиях устоять под натиском цивилизации. Панды ведут одиночный образ жизни и встречаются между собой только в период размножения. 95% активного времени взрослое животное тратит на поедание бамбука, и хотя эта пища низкокалорийна, не ест почти ничего другого. Попытки добиться размножения панды в зоопарках Китая оказались неудачными, но создание в Волонге (провинция Сычуань) "ферм" по разведению животных увенчалось успехом. Здесь были использованы новейшие достижения в области разведения животных, в том числе — искусственное осеменение, банк спермы, и в результате в неволе родилось несколько детенышей. Сейчас стало возможным предсказывать начало течки у самок и обеспечивать своевременное спаривание. При сохранении среды обитания вида и небольшой помощи со стороны человека большую панду, видимо, удастся сохранить.
Имеется много хорошо известных примеров угрожаемых видов и существует целый ряд программ их спасения. Некоторые виды, например калифорнийский кондор, оказались под угрозой вымирания из-за отравления пестицидами; численность других, таких, как филиппинский орел, нападающий на обезьян, снижается, потому что сокращается число подходящих местообитаний. Каждой из этих птиц необходимо по меньшей мере 50 км2 леса и сейчас во всей Юго-Восточной Азии осталось менее 300 особей данного вида.
Уменьшение численности некоторых видов происходит потому, что они плохо уживаются с человеком. Бенгальский тигр — исконный враг человека — некоторое время назад оказался на грани вымирания, и только благодаря созданию нескольких больших тигровых заповедников его удалось сохранить. Браконьерская добыча слоновой кости и рогов носорога привела к значительному сокращению поголовья этих животных, и это стало особенно заметно с появлением автоматического оружия. Другие редкие животные, например горные гориллы, чрезвы-чайно чувствительны к нарушениям среды, вызванным человеческой деятельностью. Все угрожаемые виды животных и растений заносятся в Красную книгу, издаваемую Международным комитетом охраны природы и ресурсов. Для успешной охраны фауны и флоры необходимо образование, гласность, проведение экологических исследований и оказание финансовой поддержки заповедникам, зоопаркам и ботаническим садам.
Генетические ресурсы на службе человека
Теперь стало совершенно ясно, что значительное сокращение генофондов ныне существующих видов приведет к исчезновению многих ценных аллелей и это уже наблюдается у культурных растений и домашних животных. В мире существует около 80 тыс. видов съедобных растений, но только 20 из них возделывается для пищевых нужд в значительных масштабах, причем в большинстве развитых стран выращиваются лишь очень немногие сорта. Обычно в практике земледелия используются только тщательно отобранные и апробированные высокоурожайные сорта (например, половина всей пшеницы на полях Канады относится к одному сорту "Neepawa"). Селекционеры иногда сталкиваются с явлением генетической эрозии, которая возникает в монокультуре зерновых. Поэтому они стремятся собрать как можно больше старых сортов, и сохраняют их либо в коллекциях семян, либо в состоянии вегетации путем ежегодного пересева. Крупнейший селекционный семенной банк находится в Научно-исследовательском институте риса на Филиппинах; там собраны тысячи известных сортов этой культуры (см. разд. 12.9). Многие из них дают небольшой урожай, который почти не увеличивается даже после внесения удобрений, но зато обладают генетически обусловленной резистентностью к пестицидам и болезням.
В Великобритании Организация по охране редких пород имеет в своих прекрасных коллекциях великое множество разновидностей домашних животных. Редкая корнишская порода кур была недавно использована при выведении новых пород как источник генов быстрого роста. Свиньи тамуортской породы оказались хорошо приспособленными для пастбищного содержания в Австралии.
Дикие виды в перспективе также могут оказаться чрезвычайно полезными, поэтому их охрана — единственная разумная стратегия. Так, розовый барвинок, произрастающий на Мадагаскаре, используется для изготовления медикаментов, применяемых для лечения рака. Недавно в Вест-Индии найдена еще одна разновидность этого растения, которая дает десятикратный выход противоракового препарата.
Становится все более очевидным тот факт, что наилучшую гарантию сохранения диких видов животных и растений дает охрана среды их обитания, а это требует экосистемного подхода. Сейчас в каждой стране проводится выявление характерных ландшафтов, которым в дальнейшем будет присвоен статус особо охраняемых территорий, что будет способствовать лучшему сохранению генетического разнообразия растений и животных во всем мире (см. разд. 12.10.6).
Вопросы для обдумывания
2. Каким образом можно использовать банки спермы для увеличения генетического разнообразия таких видов, как африканский носорог, популяции которого будут становиться все более изолированными?
12.10.4. Образ мыслей "зеленых"
Экологические познания и понимание принципов функционирования и эволюции систем жизнеобеспечения Земли заставило многих критически взглянуть на то, как используются ресурсы планеты. Если мы хотим, чтобы эксплуатируемые виды растений и животных восстанавливались, а среда обитания была пригодна для жизни, нам необходимо руководствоваться концепциями "зеленых".
Использование и возобновление животных и растительных ресурсов
Методы рациональной эксплуатации экосистем обсуждались в разд. 12.3.7. Применимость данных о динамике популяций рыб для достижения оптимального промысла и воспроизводства рассмотрены в разд. 12.7. В долгосрочной перспективе экономическое процветание и экологическое благополучие неотделимы друг от друга.
Практика лесного хозяйства, рассчитанная на длительное время, показывает, что лес, используемый в настоящий момент, должны были посадить люди предыдущего или более старшего поколения. Иногда потребности общества меняются, и от земли хотят получить совсем не то, что требовалось раньше, например вырубают лес для расширения посевных площадей. В таких случаях необходимо, чтобы новая система землепользования оказалась не менее стабильной и долговечной, чем существовавшая ранее. В некоторых районах Амазонки значительные на первых порах достижения сельского хозяйства, развивавшегося на месте вырубленной сельвы, оказались недолговечными. Даже серьезные программы, подкрепленные экспертизой и солидной финансовой поддержкой других стран, были приостановлены через 10-15 лет. Вторжение сорняков, проблемы, связанные с использованием пестицидов и болезнями растений, а главное-уменьшение плодородия почвы, все это делает подобные проекты экономически нежизнеспособными. В силу целого ряда причин влажный тропический лес редко восстанавливается в первоначальном виде там, где он был вырублен. Почвы на вырубках теряют запас питательных веществ и структуру, там уже нет запаса семян. Но даже в том случае, когда на вырубке сажают семена деревьев, которые обитали там раньше, они крайне плохо приживаются на открытом пространстве: деревья влажного тропического леса прорастают только при высокой влажности под пологом сомкнутых крон. В лучшем случае на этом месте вырастает вторичный лес; он значительно менее продуктивен, чем изначальный, и хотя здесь используется подсечно-огневое земледелие, возможности его крайне ограничены. Ясно, что развитие интенсивного сельского хозяйства на месте влажного тропического леса не выгодно. Оно ведет лишь к деградации лесных ресурсов, тогда как многие виды, свойственные зрелому лесу, постоянно исчезают. Таким образом, важнейшая задача, стоящая перед мировым сообществом, — это поиск таких путей оптимального использования тропических лесов, которые учитывали бы особенности экономического развития прилегающих районов.
Использование вторичного сырья
Эффективная охрана природы будет возможна только тогда, когда удастся смоделировать происходящие в природе циклические процессы. Многие вещества используются в экосистемах многократно, и возникает вопрос, почему этого не происходит с продуктами человеческой деятельности. Если речь идет о каких-то необычных материалах, например редких металлах, то они иногда используются повторно, но в целом мы представляем собой "общество транзита".
Во время второй мировой войны Великобритания перерабатывала значительное количество макулатуры (слаборазвитые страны Третьего мира занимаются этим и по сей день). После окончания войны в стране появились средства на приобретение древесной массы, и переработка макулатуры как здесь, так и в других промышленно развитых странах, отошла на второй план. А между тем технология этого процесса стала совершенной, что позволяет сократить производство новой бумаги по крайней мере вдвое.
Технология обработки сточных вод основана на использовании процессов жизнедеятельности гнилостных бактерий; в природе они присутствуют и в чистой воде, и в почве, где разлагают различные отходы. Этот естественный процесс и лежит в основе очистной технологии, которая дает побочный продукт — активный ил, богатый солями и органическим веществом. Если он не загрязнен тяжелыми металлами (например, свинцом из нефтяных отходов), то его можно вносить в почву в качестве удобрения. Кроме того, активный ил часто используется для рекультивации почвы, так как улучшает ее структуру и содержит много микроэлементов. Энергию, выделяющуюся при очистке сточных вод, можно использовать для получения метана (биогаз), а он в свою очередь дает энергию для работы очистных сооружений.
Новые источники энергии
Поскольку ископаемое топливо расходуется с большой скоростью, а эксплуатация атомных электростанций сопряжена с серьезными проблемами, многие стали задумываться над идеей создания каких-либо других источников энергии.
Можно сказать, что Солнце — это термоядерный реактор, расположенный в 150 млн. км от Земли. Под воздействием Солнца происходит движение атмосферы и океана, а также круговорот воды на Земле; оно служит единственным источником энергии для фотосинтеза, происходящего в биосфере. Ветровые, прибойные, гидроэлектрические станции и солнечные батареи — вот источники энергии будущего. Для получения топлива можно также использовать и материалы растительного происхождения. В Бразилии построены большие заводы по переработке сахарного тростника в этиловый спирт (газохол), используемый в качестве автомобильного горючего. Процессы получения энергии из "биомассы" оказываются экологически более чистыми и менее трудоемкими, чем добыча ископаемого топлива. А поскольку запасы ископаемого горючего не бесконечны, их следует рассматривать как неприкосновенный запас и заменить альтернативными энергоресурсами.
Рекультивация промышленных и городских пустырей
Охрана природы — это, кроме всего прочего, и восстановление пространств с нарушенной средой, чтобы сделать их опять пригодными для получения биологической продукции, отдыха, или дальнейшего использования в промышленных целях.
Отработанные отвалы шахт и заброшенные промышленные пустыри иногда представляют собой значительную опасность: так, например, в 1962 г. близ г. Аверфен (Ю. Уэльс) произошел большой оползень. Но если создать в таких местах растительный покров, то он воспрепятствует чрезмерному осушению или переувлажнению почвы, улучшит качество воды, укрепит склоны.
Основная проблема, связанная с восстановлением растительного покрова на заброшенных территориях — создание почвы, пригодной для прорастания и дальнейшего развития растений. При неблагоприятной температуре и влажности ухудшается всхожесть растений, а при недостатке нитратов и фосфатов резко замедляется их дальнейшее развитие. Терриконы шахт и промышленные отходы могут, кроме того, содержать тяжелые металлы; в таком случае их рекультивация практически невозможна: если разместить в таких местах лесные или сельскохозяйственные угодья, возникнет серьезная опасность бионакопления тяжелых металлов в пищевых цепях. Если почва имеет слишком высокую щелочность, либо наоборот слишком закислена, как это бывает в отвалах, содержащих железный колчедан, появления устойчивого растительного покрова можно ожидать лишь после предварительной обработки почвы. Однако на таких не поддающихся рекультивации пространствах можно снова разместить промышленные объекты, которые тем самым не будут распространяться за пределы уже нарушенного ландшафта.
Терриконы шахт в средней и северной Англии были засеяны травами, устойчивыми к засолению почвы, и сейчас они выглядят, как обыкновенные холмы. Во многих заброшенных каменоломнях также обычно удается восстановить нормальный сухопутный ландшафт или превратить их в водоемы, пригодные либо для рыболовства, либо для катания на лодках и водных лыжах. В Нортхэмптоншире 5700 га открытых угольных копей были засеяны злаками и клевером. Через 20 лет почвенный покров полностью восстановился и эта местность снова была отдана под пахоту, а окружающий ландшафт удалось сохранить нетронутым.
ТЕЛЕГРАМКанал с обзорами, анонсами новинок и книжными подборками
Книжный Вестник
Бот для удобного поиска книг (если не нашлось на сайте)
Поиск книг
Свежие любовные романы в удобных форматах
Любовные романы
О психологии, саморазвитии и личностном росте
Саморазвитие
Детективы и триллеры, все новинки
Детективы
Фантастика и фэнтези, все новинки
Фантастика
Отборные классические книги
Классика
ВКОНТАКТЕБиблиотека с любовными романами, которая наверняка придётся по вкусу женской части аудитории
Любовные романы
Библиотека с фантастикой и фэнтези, а также смежных жанров
Фантастика
Самые популярные книги в формате фб2
Топ фб2
книги