Экологией как составной частью биологической науки был сделан огромнейший вклад в общее развитие науки и озвучен фундаментальный вывод о наличии противоречия между природными объектами, природными системами и человеком.
Это противоречие заключается в том, что природные системы стремятся к увеличению сообществ, видов и более крупных таксономических единиц и способствуют поддержанию их на определенном уровне таксономического разнообразия. В то же время хозяйственная деятельность человека приводит к нарушениям существующего многообразия природы и способствует гибели определенных экосистем.
Длительные и оживленные дискуссии, протекавшие в 60-е и 70-е годы XX в., со всей очевидностью показали, что возникшее противоречие между человеком и остальной частью живой природы невозможно разрешить в рамках классической биологической науки. Эти дискуссии и возникшее широкое общественное движение за сохранность окружающей среды привели к тому, что представители небиологических научных дисциплин не только решили применять и использовать сам термин «экология», но и стали пользоваться в своих исследованиях разработанными экологическим направлением в биологии методологией и методами исследований. Таким образом, экология была введена в общий лексикон современной научной парадигмы для обозначения взаимоотношений человека с окружающей средой.
В настоящее время экология является комплексной наукой или системой наук, которая рассматривает как общие законы, так и закономерности функционирования экосистем различного иерархического уровня, а также положение человека в экосистемах, меры и степень воздействия человека на существующие экосистемы. В соответствии с этим появилось множество научных направлений естественного и гуманитарного профиля, которые получили собственный статус. Для того чтобы подчеркнуть сугубо биологическое направление в экологии, которое исторически относилось к биологии, его нередко стали именовать биоэкологией.
В отличие от биоэкологии комплекс наук, изучающих состояние окружающей среды, т. е. состояние географической оболочки и в определенной мере геологической среды, исследователи выделили из глобальной или всеобщей экологии в качестве новой науки, которую стали именовать геоэкологией.
В середине XX в. термином «геоэкология» стали пользоваться представители как географических и геологических, так и социологических циклов наук, и поэтому довольно быстро этот термин превратился в термин свободного пользования. Его стали использовать при исследованиях и решениях любых, даже юридической направленности, проблем природоохранной деятельности.
Исходя из многосторонности оценки экологической ситуации, исследователи к содержанию термина «геоэкология» подходят многофакторно, и взгляды даже сторонников одного и того же научного направления существенно различаются. Особенно это различие проявилось у геологов и географов. Начиная с 70-х годов XX в. у работников геологической службы все большее распространение приобретает термин «геоэкология», но в геологическом смысле. В практику геологоразведочных работ в качестве самостоятельной разновидности введены так называемые геолого-экологические исследования с непременным составлением специальных карт. У некоторых представителей геологического направления термин «геоэкология» употребляется в суммарном его значении: геология + экология. С. В. Клубов и Л. Л. Прозоров справедливо отмечают (1993), что «геологи, обладая соответствующим арсеналом технических средств и технологией, способны решать задачи, связанные с изучением не только недр, но и техногенных последствий». При этом определяется содержание вредных веществ в воздухе, в водных источниках и водоемах, выявление вредных аномалий в почвенном покрове и местах утилизации.
Но все-таки надо учитывать и то обстоятельство, что с достаточно давних пор географы в объект своих исследований включили экологию и эту новую интеграцию наук именуют геоэкологией. В объект исследований они не только включают природные и антропогенные ландшафты, но и отмечают, что конечной целью изучения является оптимизация природопользования. Как было показано в предыдущих главах, многие исследователи рассматривают геоэкологию как третье направление в географии наряду с физической и социально-экономической географиями, но иногда это направление даже предлагают именовать географией природопользования.
На основании многофакторности науки довольно быстро сложилось представление, что геоэкология является междисциплинарным направлением - своего рода метанаукой, в которой суммируются все существующие знания об экологическом состоянии . В дальнейшем оказалось, что представители данного направления предлагают в сферу деятельности геоэкологии присоединить и знания об антропогенно измененных высокоорганизованных системах. Однако в таком широком понимании геоэкология не только поглощает классическую экологию или биоэкологию, но и становится синонимом термина «биология окружающей среды», введенного известным американским экологом Ю. Одумом.
Сторонники другого направления рассматривают геоэкологию как междисциплинарное направление наук о Земле, в котором объединены все знания об экологических свойствах и проблемах геосфер. Следовательно, объектом и предметом исследования геоэкологии в этом понимании становится географическая оболочка, в которую включается и геологическая среда. Таким образом, геоэкология рассматривает экологические функции геосфер, т. е. становится экологией геосфер. В таком понимании геоэкология может подразделяться на экологию (метеоэкологию), экологию гидросферы, или гидроэкологию (экологию вод суши и экологию Мирового океана), экологию почв (педоэкологию), экологию литосферы (геологической среды).
Методологической основой геоэкологии являются системный анализ и многофакторный (синергетический) подход к изучению окружающей среды в тесной связи с изучением атмосферы, гидросферы, биосферы и техносферы. Функциональная единица изучения геоэкологии - геоэкологические системы. Таким образом, иерархические системы в геоэкологии выстраиваются в таком же порядке, как и в биоэкологии.
Весьма важными являются конечные выводы геоэкологических исследований, которые приводят к рациональному и щадящему подходу к окружающей среде и расширению медико-биологической . Это дает возможность при проведении соответствующего картирования определять места локализации тех или иных очагов заболеваний и коррелировать их с геоэкологическими условиями.
В более широком аспекте рассматривает геоэкологию В. И. Осипов (1993). По его мнению, объектом геоэкологии являются геосферные оболочки Земли, т.е. не только литосфера или геологическая среда, но и гидросфера, атмосфера и биосфера. В таком случае предметом геоэкологической науки является совокупность всех знаний о геосферах, включая изменения, происходящие под влиянием природных и техногенных факторов. Важнейшие задачи геоэкологии, по мнению Осипова, - анализ изменения геосфер под влиянием природных и техногенных факторов, рациональное использование водных, земельных, минеральных и энергетических ресурсов Земли, снижение ущерба, наносимого окружающей среде природными и природно-техногенными катастрофами, и обеспечение безопасного проживания людей.
В качестве основного объекта изучения экологической геологии выделяют геологическую среду. Под ней подразумевают верхнюю часть литосферы, взаимодействующую с биотой, влияющую на среду обитания человека, которая находится во взаимодействии с техногенными факторами. В геологическую среду включают геобиосферу (фитобиосферу и педосферу суши) и литобиосферу (т. е. верхнюю часть литосферы, где организмы формируют примитивные биоценозы и размножаются), а также подземную часть техносферы. Они дифференцируют экологическую геологию на два блока: изучение геологической среды как фактора воздействия на организмы; исследование геологической среды в аспекте выявления опасных геологических процессов и явлений, угрожающих жизни людей и инженерным объектам.
Несмотря на то что термин «геоэкология» утвердился среди наук географического профиля сравнительно недавно, он быстро стал термином свободного пользования. Им широко пользуются в географических, геологических, социальных и других науках при разработке проблем природоохранной деятельности. Именно из-за широты применения термин «геоэкология» до сих пор трактуется по-разному.
Таким образом, геоэкология является междисциплинарным направлением, суммирует все знания об экологических проблемах Земли и представляет собой сочетание биологических, геологических, почвенных и географических наук. Объектом такой метанауки являются все высокоорганизованные системы; к ним же относятся системы, созданные человеком, и ландшафтные системы, измененные человеком. В таком понимании геоэкология поглощает классическую экологию или биоэкологию и становится синонимом термина «биология окружающей среды».
Сторонники других представлений рассматривают геоэкологию как междисциплинарное направление наук о Земле, объединяющее все знания об экологических проблемах геосфер. В соответствии с этим геоэкология, или экология геосфер, может быть подразделена на экологию атмосферы (метеоэкологию), экологию гидросфер или гидроэкологию с соответствующим подразделением на экологию вод суши и экологию Мирового океана, экологию почв (педоэкологию), экологию литосферы или экологическую геологию.
Сторонники третьего направления под геоэкологией понимают науку, изучающую законы взаимодействия литосферы и биосферы. Объектом ее исследований является литосфера, традиционная для изучения геологии геосфера, а предметом - экологические функции и экологические свойства геологической среды. Для этого направления часто используют термин «экогеология», а чаще - «экологическая геология». Это направление экологической метанауки, в свою очередь, может подразделяться на динамическую экогеологию, экологическую геофизику, экологическую геохимию, экологическую геодинамику и т. д.
Под экологической геологией в настоящее время понимают научное направление в геологии, изучающее верхние горизонты литосферы. Предметом исследования являются экологические функции литосферы, а объектом исследования - традиционные для геологических наук геосферы Земли. Такое понимание термина необходимо дополнить еще одним существенным моментом. Экологическая геология должна изучать экологические функции не только литосферы, но и мантии и земного ядра, рассматривать геологическую роль и выделять экогеологические функции всех геосфер Земли, т. е. экологические свойства и экологические функции геологической среды в широком понимании этого термина, а также выявлять в экологическом аспекте взаимодействие геологической среды с биосферой. В таком случае в составе экологической геологии, кроме собственно экогеологии, изучающей экологические функции литосферы, должны находиться историческая геоэкология (научное направление, изучающее экологическое состояние среды в геологическом и историческом прошлом), экологическая геодинамика и экологическая геотектоника, экологическая гидрогеология, экологическая геохимия, экологическая геофизика, экологическая геокриология, экологическая инженерная геология.
Следовательно, в общем виде экологическая геология - это наука, изучающая законы взаимодействия литосферы и биосферы, выявляющая геологическую роль и геоэкологическую специфику всех внешних геосфер Земли, выясняющая экологическую роль мантии и земного ядра и учитывающая специфику геологической роли человека и его хозяйственную деятельность.
Понятийная и терминологическая база геоэкологии и экологической геологии
В связи с тем что экология является интегрирующей наукой множества естественнонаучных направлений, в настоящее время в ней используется огромное количество терминов и понятий, многие из которых требуют специального разъяснения и определения. Вполне естественно, что рассмотрение всех без исключения терминов просто немыслимо. Поэтому остановимся только на главных из них. Деятельность человека, как и всех остальных представителей животного мира, протекает на Земле в пределах определенного пространства, которое именуется окружающей средой. Под окружающей средой принято понимать систему взаимосвязанных природных или антропогенных объектов и явлений, в пределах которых протекает вся жизнедеятельность человека и животных. Взаимодействие природных объектов и явлений, с одной стороны, и органического мира, с другой, протекает через круговорот веществ. Для человечества окружающая среда включает природные, социальные и искусственно создаваемые, различные по назначению и масштабам природные объекты, прямо или косвенно воздействующие на жизнь и благосостояние людей. Факторы окружающей среды делятся на естественные (природные) и искусственные (антропогенные или техногенные).
Местообитание данного организма - это место, где он живет, или место, где его можно найти. Сообщество организмов или любая совокупность популяций, населяющих определенную территорию, называются биотопом (от греч. «био» - жизнь, «топос» - место). Это участок земной поверхности, характеризующийся однородностью геологического строения, микроклимата, водного режима, рельефа и почвенного покрова, занятый определенным биотическим сообществом. В общем виде биотоп - неорганический компонент биогеоценоза.
Биогеоценоз (от греч. «биос» - жизнь, «гея» - Земля, «койкос» - обитание) - однородный участок земной поверхности с определенным составом живых и косных компонентов, объединенных общим веществом и энергией в единый природный комплекс. Совокупность биогеоценозов составляет биосферу.
Составной частью биогеоценоза является биоценоз - совокупность животных, растений, грибов и микроорганизмов, совместно населяющих определенный участок суши или водоема. В англоязычных странах используется близкий термин - сообщество. Выделяют фитоценоз - совокупность растений и зооценоз - совокупность животных.
Экологическая ниша не только включает физическое пространство, занимаемое организмом, но и фиксирует функциональную роль организма в сообществе и его положение относительно градиентов внешних факторов - температуры, влажности, кислотности почвы и других условий существования организмов (Ю. Одум, 1986). Экологическая ниша организма - понятие многомерное и зависит не только от того, где и как живет организм, но и от того, что делает он в пространстве, т. е. как и каким образом преобразуется , как реагирует на те или иные физические или биологические аспекты среды и как организм изменяет среду обитания, а также от того, как он ограничен сферами влияния других видов.
Окружающую среду составляют геосферы Земли. Под ними понимаются более или менее концентрические слои, охватывающие всю Землю и обладающие присущими только им характерными физическими, структурными, физико-химическими, химическими и биологическими свойствами. Геосферы подразделяются на внешние и внутренние. К внешним относятся атмосфера и гидросфера, которая, в свою очередь, подразделяется на гидросферу суши, Мирового океана и подземную часть гидросферы, а также земную кору. К внутренним геосферам относятся мантия и ядро.
Земная кора, атмосфера и гидросфера входят в состав биосферы - сложной прерывистой оболочки Земли, являющейся средой обитания биоты - живого вещества планеты. Под биосферой австрийский геолог Э. Зюсс, впервые употребивший этот термин в 1875 г., понимал тонкую живую оболочку Земли. Это понятие в настоящее время равноценно современному понятию «биота». По-иному понимал биосферу В. И. Вернадский (1967): «Биосфера - это среда нашей жизни, это та «природа», которая нас окружает». Биосфера, по Вернадскому, включает не совокупность организмов, а составляет единое живое вещество планеты, находящееся в постоянном взаимодействии с абиотической средой и биокосными системами. Ученым очерчены границы биосферы. Верхняя граница проведена у озонового экрана, т.е. на высоте 17-25 км над Землей, а нижняя - внутри стратисферной части литосферы, т.е. до термической отметки 100 °С, которая располагается на глубине 8-10 км в зависимости от геотермического градиента. В таком случае в природе существуют и ископаемые, или былые биосферы. Следы древних биосфер, существовавших в геологическом прошлом, сохранились в виде окаменелостей животного и растительного мира, а также следов их жизнедеятельности. С термином «биосфера» тесно смыкается термин «экосфера», которым Ю. Одум (1971) определял сферу деятельности живых организмов и окружающую их среду. Таким образом, в определенной мере правы те ученые, которые считают, что биосфера и экосфера являются синонимами, и на этом основании предпочитают не пользоваться термином «экосфера».
Биосфера, в свою очередь, распадается на ряд частных экосистем. Этот термин был введен в экологию английским геоботаником А. Тенсли в 1935 г. Экосистемой называют любое сообщество живых организмов и его среду обитания, объединенные в единое функциональное целое. Размеры экосистем могут меняться в широких пределах - от стебля растения или ствола дерева до органических сообществ гигантских размеров. К глобальной экосистеме относится сама биосфера.
Важнейшим понятием в экосистеме считается биогеоценоз - единый взаимообусловленный природный комплекс, представляющий собой совокупность растений, животных и микроорганизмов с соответствующим участком земной поверхности - биотопом. Следовательно, биогеоценоз - это совокупность биотических и абиотических факторов, т. е. биоценоза и биотопа.
По сути понятия «экосистема» и «биогеоценоз» являются синонимами. Термином «экосистема» широко пользуются американские ученые, а «биогеоценоз» - европейские, в том числе и российские исследователи. Литосфера, гидросфера, атмосфера и биосфера с входящими в них биогеоценозами составляют природную среду или природные оболочки. Но кроме природных существует и расширяется искусственная или антропогенная (техногенная) оболочка. Техносфера - это созданная деятельностью человека среда обитания, являющаяся частью биосферы. К техносфере относятся все хозяйственные объекты - природно-технические, геотехнические, инженерно-геологические, технические системы и функционирующие в них технологические процессы. Хозяйственными объектами или хозяйственными системами являются промышленность, сельское хозяйство, строительная индустрия, жилищно-коммунальное хозяйство.
Под воздействием хозяйственной деятельности человека техносфера развивается и в результате разумных целенаправленных действий человека заставляет биосферу переходить в качественно новое состояние - ноосферу (от греч. «ноос» - разум, «сфера» - шар), или сферу разума. Понятие «ноосфера» было введено в науку французским математиком и философом Э. Леруа в 1927 г. и широко использовалось французским биологом П. Тейяром де Шарденом начиная с 1930 г. Особенно широко пользовался этим термином В. И. Вернадский, который первым глубоко обосновал переход биосферы в ноосферу. Ноосфера представлена Вернадским как особая оболочка Земли, к которой должно прийти разумное развитие человечества и в пределах которой проявляется позитивная хозяйственная деятельность человеческого общества. Ноосфера отражает духовную жизнь общества и, по мнению ряда ученых, представляет собой вторую составную часть (после техносферы) - социосферу. Социосфера, или антропосфера (от греч. «антропос» - человек, «сфера» - шар), - это сфера Земли и Ближнего Космоса, которая в наибольшей степени прямо или косвенно видоизменена деятельностью человека.
Пространство, в котором взаимопроникают и взаимодействуют литосфера, гидросфера и атмосфера, носит название географической оболочки. Ей присуща целостность, обусловленная непрерывным обменом веществом и энергией между ее составными частями. В пределах географической оболочки происходит круговорот вещества, создающий многократные повторения одних и тех же процессов и явлений, обусловливающий их высокую суммарную эффективность и обеспечивающий непрерывность развития. Эта оболочка является открытой системой, получающей поток энергии в виде солнечного излучения и частично за счет геофизических процессов, протекающих в недрах Земли. Она формируется не только в результате взаимодействия перечисленных выше геосфер, но и главным образом за счет деятельности организмов и под воздействием солнечной энергии.
В 80-е годы XX в. в геологическую науку было введено понятие «геологическая среда», которая, по мнению ряда ученых, представляет собой часть географической оболочки. Она соответствует самой верхней части земной коры и выступает как минеральная основа биосферы. Автор этого термина Е. М. Сергеев (1979) и его последователи под геологической средой понимают верхнюю часть литосферы, находящуюся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека, которая, в свою очередь, и определяет эту деятельность. Верхней границей геологической среды в таком понимании является поверхность рельефа, характерная для конкретной территории. Нижняя граница геологической среды зависит от глубины проникновения человека в толщу земной коры в ходе различных видов его деятельности. Единственная в мире сверхглубокая скважина имеет глубину 12 261 м, и эта отметка является рекордной. Как известно, многочисленные нефтеразведочные, нефте- и газодобывающие скважины имеют глубину 5-6 км.
Следуя представлениям Е. М. Сергеева, в геологическую среду необходимо включать почвы и верхние горизонты горных пород, в пределах которых происходит инженерно-геологическая деятельность человека. Таким образом, по мере расширения хозяйственных работ границы геологической среды будут изменяться.
Однако такое понимание геологической среды связано только с утилитарным направлением и основывается исключительно на инженерно-геологической деятельности человека. На наш взгляд, понятие «геологическая среда» должно рассматриваться в более широком плане: геологическая среда - это то пространство, где совершаются геологические процессы. Независимо от места своего возникновения (в глубоких недрах или на земной поверхности) эндогенные и экзогенные процессы, взаимодействующие между собой и с внешними геосферами, совершают в огромнейших масштабах разнообразные геологические преобразования. При определенных условиях в геологической среде возникает вся масса горных пород и минералов, существуют органические сообщества, действуют геологические силы, преобразующие лик Земли, возникают катастрофические, стихийные геологические явления.
Основными составляющими частями геологической среды являются:
горные породы, минералы и почвы, в том числе искусственные, созданные в результате хозяйственной деятельности человека;
эндогенные и экзогенные геологические процессы, действующие в определенных условиях геологической среды;
нижняя часть атмосферы;
гидросфера, в том числе подземная;
инженерно-геологические объемные тела и искусственные многокомпонентные динамические системы.
Следовательно, в отличие от прошлого в геологической среде не только действуют и формируются сугубо природные объекты и системы, но и в нее проникают вещества и объекты техносферы. Геологическую среду, в которой действуют геологические и инженерно-геологические процессы, характеризуют материальные объекты - компоненты геологической среды, а также энергетические составляющие, в число которых входят геофизические поля и геохимические аномалии, вместе образующие геопатогенные зоны.
Объекты и предмет исследований геоэкологии и экологической геологии
Объектом изучения геоэкологии является географическая оболочка, включающая атмосферу, поверхностные суши, Мировой океан и почву. Предмет ее исследований связан с экологическими функциями атмосферы, гидросферы и педосферы. Если экологические функции в отношении почвы в настоящее время благодаря исследованиям почвоведов и главным образом Г. В. Добровольского и Е. Д. Никитина (1990) можно считать окончательно оформленными, то в отношении других геосфер они пока только очерчены. Под экологическими функциями следует понимать роль отдельных геосфер в жизни, сохранении и эволюции экосистем в целом.
Объектом исследования экологической геологии являются традиционные для геологического цикла наук внутренние геосферы Земли, т.е. литосфера, мантия и земное ядро, а также геологическая роль внешних геосфер - атмосферы и гидросферы. В то время как поверхность литосферы до глубин 12 км доступна для изучения прямыми геолого-экологическими методами, внутренние части литосферы, астеносфера, верхняя и нижняя мантии, а также внешнее и внутреннее ядро изучаются пока только в теоретическом плане - на основе интерпретации сейсмических, гравитационных, электротеллурических, электромагнитных и иных данных и на основе тех специфических наблюдений, с помощью которых выявляются действия глубинных процессов, определенным образом отражающихся на земной поверхности, в атмосфере и гидросфере.
Приведенное выше довольно широкое определение экологической геологии не должно казаться всеохватывающим. Оно укладывается в определенные рамки, обусловленные объектами исследований геологических наук, которые дополняются их экологической сущностью. Предметное поле экологической геологии формируется в плоскости пересечения биологии и геологии. Таким образом, предметом исследования экологической геологии являются экологические функции литосферы, мантии и земного ядра и геологическая роль внешних оболочек Земли, выраженная в форме геологических процессов. Причем геологическая роль внешних геосфер и их экологические функции рассматриваются под углом зрения их влияния как на биосферу в целом, так и на составляющие ее компоненты, т. е. на разные по структуре и объему экосистемы.
В то же время надо иметь в виду, что экологические функции атмосферы, гидросферы, географических ландшафтов и других над литосферных компонентов, равно как и географической среды в целом, должны глубоко изучаться экологической географией, которая продолжает именоваться геоэкологией, а почвы - экологическим почвоведением.
Как справедливо отмечают некоторые авторы, в частности В. Т. Трофимов (1995), весь узел противоречий и разночтений в геоэкологии связан с разграничением сфер влияния и объектов исследования геологии, географии и почвоведения. Оперируя понятиями «ландшафт» и «геологическая среда» с весьма расплывчатыми и неустоявшимися границами геологи и географы в объект своих исследований часто включают одни и те же геосферные оболочки или их части, в частности зону аэрации почвы, кору выветривания, поверхностные и подземные воды, рельеф. Справедливости ради надо отметить, что представители географической науки слабо используют термин «экологическая география», а оперируют определениями типа «экология воздушного бассейна», «геохимия ландшафта», «экология Мирового океана». И здесь объектами исследований выступает абиотическая составляющая глобальных экосистем, что позволяет считать их составными частями экологической географии. Кроме них к этому же направлению должна относиться и биогеография, занимающаяся экологическими проблемами возникновения и распределения экосистем на уровне ландшафтов.
В таком случае экологическая геология, экологическая география, как и экологическое почвоведение, выступают составными частями геоэкологии. Следовательно, геоэкология должна рассматриваться как междисциплинарная наука, ассимилирующая всю информацию об экосистемах Земли высокого уровня организации, включая человеческую популяцию, техносферу и ноосферу (В. Т. Трофимов и др., 1995).
Несмотря на то что термин «геоэкология» существует с 1939 г., его весьма неоднозначно используют науки географического и геологического направлений. В настоящее время геоэкология по сути стала экологией геосфер. В связи с этим предлагается оставить геоэкологию в качестве термина науки междисциплинарного направления, которая состоит из экологических научных направлений геологического, географического и почвоведческого циклов. Понятийная и терминологическая база геоэкологии геологической и географической направленности основывается на общеэкологических терминах. Таковыми, в частности, являются биогеоценоз, экосистема, биоценоз, фитоценоз, экологическая ниша, биосфера и экосфера. Однако кроме них геоэкология пользуется собственными терминами - географическая оболочка, геологическая среда, которые являются терминами высших систем в геоэкологической иерархии. Объектами изучения геоэкологии географической и геологической направленности являются все известные для геологии и географии направления и предметы, но с точки зрения их экологической роли.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Курс лекций
Геология и геоэкология
Раздел 1. Основные понятия геоэкологии
Лекция 1. Основные понятия геоэкологии
Лекция 2. Геологическая среда. Состав и свойства геологической среды. Экосистемы и их особенности
Раздел 2. Техногенные изменения геологической среды
Лекция 1. Основные виды воздействия горного и геологического производства
Лекция 2. Техногенная миграция элементов. Физическое и химическое загрязнение
Лекция 3. Радиоактивное загрязнение геологической среды
Раздел 3. Нормирование качества геологической среды и методы изучения ее экологического состояния
Лекция 1. Нормирование качества окружающей и геологической среды
Лекция 2. Нормирование загрязняющих веществ в водных объектах
Лекция 3. Нормирование загрязняющих веществ в почве
Лекция 4. Методы изучения экологического состояния геологической среды: картирование и картографирование, полевые исследования
Раздел
Л екция 1. Основные понятия геоэкологии
В 1866 году немецкий биолог Эрнст Геккель ввел в науку термин экология (гр. oikos - дом, жилище, разные, воды - учение, наука), который, однако, получил всеобщее признание лишь к концу XX века. Э.Геккель назвал словом экология новый раздел биологии, изучающий совокупность всех взаимосвязей между живыми и неживыми компонентами природной среды, который по мере накопления знаний превратился в фундаментальную науку. Во второй половине XX столетия термин экология стал модным. Каждый исследователь и специалист, желающий быть современным, занимается экологией. Но экологические проблемы, которые интересуют биолога, отличаются от проблем, рассматриваемых физиком, инженером, экономистом, юристом или социологом. Каждый из них придает этому слову до такой степени различное значение, что неспециалисту становится трудно определить, что же это такое.
Из всех живых организмов человек более других пытается изменить природу, используя и приспосабливая ее для своих нужд. С развитием науки и техники люди получают все более мощные орудия воздействия на природу. Это позволяет им вторгаться в микро- и макромиры, во все процессы, протекающие в биосфере. Вот, что писал В.И. Вернадский еще в 1925 году:
«Человек уничтожил девственную природу. Он внес в неё массу неизвестных ранее химических соединений и форм жизни - культурных пород животных и растений. Он изменил течение всех геохимических реакций. Лик планеты стал новым и пришел в состояние непрестанных потрясений». [искусственные минералы]
Если до некоторых пор механизмы саморегуляции биосферы компенсировали возмущающие антропогенные воздействия, то особенностью современного этапа развития планеты является то, что система производства и размах человеческой деятельности достигли масштабов, сопоставимых с масштабами природных явлений. По словам В.И. Вернадского «человечество стало геологической силой, сравнимой с силами самой природы». Действительно, подземные ядерные взрывы по мощности сравнимы со слабыми сейсмическими толчками. Аварии на АЭС в Гаррисберге (США, 1979), Чернобыль (Украина, 1986); утечки ядовитых веществ на химических заводах в Севезо (Италия, 1976), Бхопале (Индия, 1984), Череповце (Россия, 1987); потери при хранении и транспортировке вредных веществ и т.п.- все эти техногенные катастрофы вполне сопоставимы с крупными природными катаклизмами. Разрушительная деятельность человека породила конфликт между обществом и природой, создала проблемы, которые получили название экологических.
В последние два десятилетия изменился взгляд на экологию, как на сугубо естественную науку. Уже с начала века в экологии прослеживались два направления. Представители первого антропоцентрического - рассматривают человеческое сообщество как новое царство, наряду с царствами минералов, растений и животных. Представители другого - биоцентрического - включают Homo sapiens (человека разумного) с его деятельностью в сферу интересов общей экологии. Они считают, что человек - млекопитающее, подчиняющееся законам природы, и его развитие идет параллельно с развитием других организмов.
Людям не следует забывать о том, что, получив неограниченную власть над природой, они сами являются её скромной частицей. Основные законы природы не потеряли своей силы с ростом численности населения, с огромным увеличением масштабов потребления и невиданных ранее научно-техническим прогрессом, которые чрезвычайно расширил человеческие возможности воздействия на окружающую среду. Изменилось лишь относительное значение этих законов, усложнилась их зависимость от человека. Цивилизация по-прежнему продолжает зависеть от природы, и не только от энергетических и материальных ресурсов, но и от таких жизненно важных процессов, как, например, круговороты воды и воздуха.
Отметим, что до 1970 года на экологию смотрели, главным образом, как на один из разделов биологии. Хотя и сейчас экология уходит своими корнями в биологию, она вышла за ее рамки, переросла в новую интегрированную дисциплину, образующую мост между естественными, техническими и общественными науками, которая исследует общие закономерности, справедливые как для природы, так и для общества.
Геоэкология и её место в экологии. Экология как интегрированная дисциплина подразделяется на ряд разделов по различным принципам (см. схему).
Геоэкология - практический раздел экологии, занимающийся изучением региональных и глобальных изменений компонентов природной среды, обусловленных техногенным воздействием. В конкретной практике объектами геоэкологии являются экосистемы или их составные части: почвы, поверхностные и подземные воды, приземная атмосфера и горные породы.
Таким образом, объектом исследований геоэкологии является геологическая среда и происходящие в ней изменения, связанные с производственной деятельностью человека.
Связь геоэкологии с другими науками. Мы определили, что геоэкология - это практический раздел экологии, возникший на стыке геологии и экологии, что и определяет здесь тесную связь естественных (геология, биология, география), технических (горное дело) и общественных наук.
Растет социальная роль экологических знаний. Отсюда следует, что современная экология и геоэкология тесно соприкасается с такими дисциплинами, как право, экономика, социология, политология, философия и должна владеть всеми инструментами, которые дают в ее руки техника и математика.
Основная задача современной экологии - найти пути управления природными, антропогенными системами, человеческим обществом и биосферой в целом в соответствии с законами природы, а не вопреки им, найти гармонию между экономическими и экологическими интересами человека.
Геоэкология и экологическая геология . Последняя треть двадцатого века - время экологизации многих социальных, технических и естественных наук. Экологизация отчетливо проявилась и в геологии: здесь сформировалось новое направление - экологическая геология, изучающая верхние горизонты литосферы как одну из основных абиотических компонент экосистем высокого уровня организации (от биогеоценоза до экосферы).
По В.Т.Трофимову термин «экологическая геология» нельзя отождествлять с термином «геоэкология». Это принципиально разные понятия. В любой трактовке геоэкология - это комплексная наука, исследующая все абиотические оболочки (сферы) Земли, а по нашим представлениям - и биоту. Геоэкология включает в себя как минимум «экологическую геологию», как составную часть, связанную только с литосферой, «экологическую географию», «экологическое почвоведение», в перспективе в ее состав, вероятно, войдет и «биоэкология».
Экологическую геологию в более привычных геологу терминах можно определить так: экологическая геология - новое направление геологических наук, изучающее экологические функции литосферы, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения под влиянием природных и антропогенных (техногенных) причин в связи с жизнью и деятельностью биоты и, прежде всего, человека. Подчеркнем - под влиянием природных и техногенных процессов, поскольку некоторые исследователи считают необходимым изучать воздействие и экологические последствия лишь техногенных причин. Это принципиальная ошибка. Масштабы и интенсивность природных геологических процессов, и экологические последствия их проявления существенно значимее: подавляющая часть крупномасштабных катастрофических событий на Земле связана именно с ними.
Объект исследования экологической геологии - традиционный для наук геологического цикла: теоретически - это литосфера со всеми ее экологически значимыми компонентами, в прикладном плане - ее приповерхностная часть, расположенная, в том числе и в зоне возможного техногенного воздействия. Она исследуется как многокомпонентная динамическая система, включающая породы, подземные воды, нефть и газы и влияющая на существование и развитие биоты. В том числе и человеческое сообщество. При таком определении объекта экологическая геология исследует систему «литосфера-биота», «техногенно измененная литосфера-биота», либо «литосфера - инженерное сооружение - биота», прямые и обратные связи между абиотическими и биотическими подсистемами, а, в конечном счете - чаще всего воздействие «неживого» на «живое», хотя если говорить шире, - взаимодействие литосферы и живого. В такой конструкции системы техногенные источники воздействия учитываются опосредованно через техногенные изменения литосферы.
Все эти названные системы с содержательной точки зрения, являются системами эколого-геологическими. Главное их отличие - наличие живого и неживого компонентов. Биота как живое живет и функционирует в литосфере или непосредственно на ее поверхности. Исходя из этого, можно ввести следующее понятие: эколого-геологическая система - определенный объем литосферы как геологический компонент природной среды с находящейся в ней биотой и включающей в себя три подсистемных блока - литосферный (абиотический), биоту (биотический) и источников воздействия техногенного и природного происхождения.
Предмет исследования экологической геологии - знания (система данных) об экологических функциях (свойствах) литосферы. При этом рассматриваются функциональные связи в системе «литосфера - биота (включая человека)» или «литотехническая система - биота (включая человека)».
Взаимосвязи человека и геологической среды
Техногенез - относительно новый фактор в истории химических элементов Земли - проявляется как в глобальных геохимических циклах, так и в локальных системах.
Этот термин ввел впервые, видимо, А.Е.Ферсман в 1922 году. Определений понятия опубликовано немало:
1) совокупность геохимических и минералогических процессов, вызванных технической деятельностью человека (Ферсман);
2) геохимическая деятельность человека (Ферсман);
3) совокупность геохимических процессов, связанных с деятельностью людей, сопровождается извлечением из окружающей среды, концентрацией и перегруппировкой химических элементов (М.А.Глазовская);
4) совокупность геохимических процессов, связанных с деятельностью человека как социального фактора (Глазовская М.А.)
Изменения геологической среды определяются процессом техногенеза.
Техногенез - процесс изменения природных комплексов под воздействием производственной деятельности человека. Заключается в преобразовании биосферы, вызываемом совокупностью геохимических процессов, связанных с технической и технологической деятельностью людей по извлечению из окружающей среды, концентрации и перегруппировке целого ряда химического элементов, их минеральных и органических соединений.
Итак, в современном понимании ТЕХНОГЕНЕЗ сейчас объединяет класс геологических процессов, обусловленных деятельностью человека, вооруженного техникой.
В отличие от других геологических процессов, эндогенных и экзогенных, характер которых кардинальным образом не меняется в течение геологического времени, ТЕХНОГЕНЕЗ - новое, современное явление, не имеющее аналогий в геологической истории. Длительность техногенных процессов невелика и соответствует периоду развития цивилизаций, т.е. нескольким тысячелетиям. Но уже сейчас по общему объему земного вещества, вовлеченному в техногенную миграцию, мы можем поставить техногенез в ряд с великими революциями в истории Земли, такими как зарождение жизни или образование наземной растительности.
Техногенез есть взаимодействие техники и природы. Техника в этом случае выступает как геологический фактор, преобразующий земную кору, модифицирующий физические поля, формирующий новые структуры. Так создается ТЕХНОСФЕРА.
ТЕХНОСФЕРОЙ можно считать область в пределах земной коры, гидросферы, атмосферы и космоса, в которой находятся, функционируют или применяются принадлежащие человеку конструкции, аппараты, орудия и вещества.
Существуют и другие определения термина ТЕХНОСФЕРА:
1) Часть биосферы, коренным образом преобразованная человеком в технические и техногенные объекты (здания, дороги, механизмы и т.п.)
2) Часть биосферы (по некоторым представлениям, со временем вся атмосфера), преобразованная людьми с помощью прямого и косвенного воздействия технических средств в целях наилучшего соответствия социально-экономическим потребностям человечества.
3) Практически замкнутая регионально-глобальная будущая технологическая система утилизации и реутилизации, вовлекаемых в хозяйственный оборот природных ресурсов, рассчитанная на изоляцию хозяйственно-производственного циклов от природного обмена веществ и потока энергии.
На Урале техногенез по временным и по пространственным параметрам - один из ведущих современных геологических процессов. Главные составляющие техногенеза на Урале - это индустриализация (развитие промышленных компонентов) и урбанизация (зарождение и рост городов).
ГЕОСИСТЕМА - природу Земли можно представить как иерархию геосистем. В этой иерархии Земля сама есть геосистема самого высокого уровня. В качестве подсистем она включает сложные системы второго глобального уровня или геосферы: литосферу, гидросферу, атмосферу, биосферу и др.
Все реальные геосистемы относятся к классу открытых систем. Источники вещества и энергии, питающие геосистемы, могут быть экзогенными и эндогенными.
ГЕОСИСТЕМЫ, в состав которых входят природные и технические компоненты, называются геотехническими. Как правило, геотехническая система(ГТС) есть результат взаимодействия природной геосистемы (ГС) и технической системы (ТС).
ГС + ТС = ГТС
Геотехнические системы в общем ряду геологических систем являются самыми молодыми образованьями. История промышленного освоения Урала может быть представлена как взаимодействие технических комплексов - городов, рудников, заводов - с Уральским горно-складчатым сооружением, сложной развивающейся геосистемой.
Главный результат этого взаимодействия - преобразование геосистем в динамичные геотехнические системы, объединяющие потоками вещества, энергии и информации природные и технические компоненты.
Стадии техногенеза . Техногенез преобразует вещественные и энергетические ресурсы геосистемы, в состав которых входят рудные залежи. В развитии рудных залежей, вовлекаемых в техногенез, можно выделить несколько этапов, в свою очередь подразделяемых на стадии.
Этап соответствует длительности существования геосистем данного класса: эндогенных, экзогенных и техногенных, различающихся по составу энергетического баланса. При описании стадии техногенеза используется [феноменологическая] модель, включающая черты строения и характера развития, общие для всех изученных реальных геотехнических систем, образующихся при техногенезе месторождений.
Техногенез подразделяется на 2 этапа: первый - прогрессивный - характеризуется возрастанием внутренней энергии системы, ростом интенсивности и разнообразия геодинамических процессов, числа новообразованных минеральных фаз; второй - регрессивный - наступает после прекращения действия техногенных источников энергии и характеризуется последовательным затуханием геомеханических процессов, возрастанием доли ионного стока и роли биохимической миграции.
Прогрессивный подэтап включает три стадии:
Первая стадия - ведущая роль управляемых процессов разрушения, перемещения и дифференциации минерального вещества. По времени соответствует периоду строительства горнодобывающего предприятия. В техногенез вовлекаются грунты и горная масса (до вскрытия рудных залежей). Дренаж подземных вод незначителен, депрессионная воронка еще не сформировалась. Рудничные воды формируются за счет атмосферных и слабо минерализованых.
Вторая стадия - вскрытие рудных залежей - сопровождается образованием и накоплением искусственных рыхлых осадков (неопелитов), в значительных количествах содержащих сульфиды. Интенсивное окисление сульфидной пыли сопровождается образованием кислых вод. Зона аэрации расширяется при искусственном понижении уровня подземных вод, в техногенез вовлекаются большие объемы атмосферных, грунтовых и трещинных вод, ускоряются тепло,- влаго- и газообмен.
Третья стадия - самый низкий уровень «техногенной эрозии», максимальные размеры техногенной зоны аэрации, максимальные объемы водоотлива, разрушение горной породы, складированной в отвалах. Действуют техногенные источники энергии, освобождается энергия напряженных горных массивов, увеличивается количество нестабильных минеральных фаз. Неравновесность геотехнической системы возрастает. Достигается max амплитуды техногенного рельефа, формируются неустойчивые склоны.
Стационарное состояние ГТС поддерживается горнотехническими мероприятиями. В поверхностном горизонте зоны аэрации формируются кислые рассолы.
Состав вод ГТС зависит не от скорости окисления сульфидов, а от состава и количества накопленных в зоне аэрации водо-растворимых гидросульфатов. Рудничные воды формируются при смешении небольшого количества сильно концентрированных поверхностных рассолов с большими объемами относительно частых атмосферных и трещинных вод.
По контуру внешних отвалов происходит образование озер и заболачивание, связанные с явлением вторичного обводнения. Вторичное обводнение отвалов сопровождается перераспределением обломочного материала, формированием вторичной зональности и шлейфа пологих глинисто-алевритовых конусов выноса.
Регрессивный подэтап :
Четвертая стадия: в связи с прекращением действия техногенных источников энергии самопроизвольные геодинамические процессы играют ведущую роль. Они используют энергию, накопленную на предыдущем прогрессивном этапе. Осуществляется последовательность взаимосвязанных явлений:
1) Восстанавливается уровень подземных вод, заполняется карьерное озеро;
2) За счет растворения неосульфатов, накопленных в зоне аэрации, образуется большой дополнительный объем кислых растворов;
3) Подтопление бортов карьера, поднятие уровня грунтовых вод сопровождается обводнением бортов карьера и потерей их механической устойчивости;
4) Оползни, оплывины, обрушения приведут к заполнению карьерного озера осадками, уровень кислых вод поднимается, формируется центробежная система подземных (иногда и поверхностных) потоков.
В насыпных грунтах и отвалах наряду с перераспределением обломочного материала по крупности обломков развивается процесс генерации неопелитов . Понижается кислотность растворов.
Пятая (стационарная) стадия: характер геодинамических процессов, ионный и твердый сток, скорость склоновых процессов близки к начальным. ГТС возвращается в начальное состояние.
Как мне кажется, определяющее значение для понимания такой роли экологии играют работы В.И. Вернадского и его учение о ноосфере.
Ноосфера - букв. «мыслящая оболочка», сфера разума, высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и развитием в ней человечества, когда разумная человеческая деятельность становится главным определяющим фактором развития (Вернадский В.И., 1944).
Техногенные процессы и явления . Ф.В. Котловым выделяются следующие классы антропогенных геологических процессов и явлений.
1. Геотермические, вызванные изменением термического поля городов.
2. Гидрогенные, вызванные изменением подземной гидросферы.
3. Гравитационные, вызванные статическими нагрузками.
4. Литогеодинамические, вызванные динамическими нагрузками.
5. Субтерральные (подземные), вызванные добычей полезных ископаемых и подземным строительством.
6. Антропогенный литогенез.
Все эти процессы развиваются избирательно, направленность и закономерность их формирования контролируется тремя факторами : регионально-геологической средой, зонально-климатическими условиями и характером воздействий человека на среду (профилем, экономикой и историей города).
Лекция 2 . Геологическая среда. Состав и свойства геологической сре ды. Экосистемы и их особенности
Геологическая среда, согласно определению Е.М. Сергеева - это «любые горные породы и почвы, слагающие верхнюю часть земной коры, которые рассматриваются как многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека, в результате чего происходит изменение природных геологических и возникновение новых антропогенных процессов, что в свою очередь, вызывает изменение инженерно-геологических условий определённой территории».
Состав и свойства геологической среды. Главнейшим компонентом геологической среды являются горные породы. Они слагают массивы, содержащие не только твёрдые минеральные и органические компоненты, но и газы, подземные воды, макро- и микроорганизмы. Состояние горных пород и фазовый состав воды могут отличаться как талыми и не мерзлыми, так и находиться в состоянии многолетней мерзлоты. Кроме того, в геологическую среду входят объекты, созданные в пределах литосферы человеком и рассматриваемые как антропогенные геологические образования - техногенные образования (шлаки, шламы, золы, дражные отвалы и т.д.). Состояние и закономерности развития геологической среды определяются взаимодействием всех компонентов.
Таким образом, геологическая среда представляет собой комплексную оболочку, включающую в себя горные породы, подземные воды, биоту, различные геофизические поля (гравитационное, сейсмическое, электромагнитное, геотемпературное и т.д.). Верхняя граница геологической среды - земная поверхность, через которую происходит энергообмен с атмосферой, гидросферой и биосферой, а также техносферой. Характер этого обмена обусловлен состоянием атмосферы, граничащей с поверхностью Земли (режим воды, климат и микроклимат), водными объектами, растительностью, элементами техносферы, рельефом, почвами и подпочвенным слоем пород. В совокупности эти элементы составляют то, что называется ландшафтом . Нижняя граница в естественных условиях, как правило, подошва зоны свободного водообмена подземных вод, в нарушенных - поверхность, ограничивающая глубину проникновения техногенных нарушений геологической среды.
Свойства геологической среды. Важнейшим свойством геологической среды является её изменчивость как всеобщее свойство материи (её изменчивость в пространстве и во времени), отражающее текущее её развитие (эволюцию). Изменение геологической среды во времени, фиксируемое как изменение её элементов, их отношений (структур) и свойств, есть геологический процесс развития Земли и причина нестационарности ряда физических полей.
При исследовании пространственной изменчивости принимается допущение о неизменчивости структуры и свойств геологической среды в физическом времени.
Свойства геологической среды определяют основные требования к информации, необходимой для анализа её изменения при техногенном воздействии на всех стадиях проектной и производственной деятельности.
На состояние геологической среды, в частности на направление и скорость протекания ней процессов, оказывает большое влияние ряд внешних, по отношению к ней, факторов. Характер и масштабы подобного влияния зависят как от параметров самой среды, так и от природы, направленности и интенсивности внешних факторов.
Влияние атмосферы на геологическую среду можно разделить на прямое и косвенное. Под прямым влиянием следует понимать воздействие воздушных масс, контактирующих с земной поверхностью и вызывающих выветривание, дефляцию, вообще перемещение пород (например, при ураганах, тайфунах, смерчах и т.д.). Под косвенным влиянием следует понимать воздействие воздушных масс на гидросферу и биоту, изменяющие характер их взаимодействия с геологической средой (например, усиление волновой переработки берегов под воздействием ветра, изменение почв и подстилающих пород, в результате гибели леса, вызванной ветроповалом). Сюда же следует отнести и воздействия, вызванные транспортирующей ролью атмосферы: переносам тепла, осадков, загрязнений, усилением или ослаблением транспирации в зависимости от силы и направления ветров.
Поверхностные воды оказывают на ГС ещё большее воздействие. Почти все экзогенные процессы происходят при участии поверхностных вод и их интенсивность зависит наряду с характеристиками самой ГС от водного баланса территории. Подземные воды часто прямо связаны с поверхностными водами.
Косвенное влияние поверхностных вод осуществляется в первую очередь через их влияние на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их водой и т.д.). В связи с техногенным воздействием следует сказать также и о переносе загрязнённых веществ водными массами. В качестве существенного комплексного процесса подобного рода можно привести факт отложения солей тяжёлых металлов на границах водных масс различной солёности. Косвенное воздействие может проявляться также и в чувствительности ГС к некоторым факторам, например, повышению сейсмичности в районах воздействия крупных водохранилищ.
Влияние биоконтура на ГС проявляется, прежде всего, в почвообразующем воздействии на материнскую породу. Ассимиляция из атмосферы СО 2 , N и других веществ, приводящих к образованию биогенных отложений, также оказывает влияние на состояние ГС, однако в более крупных масштабах. Все эти воздействия, связанные с энерго- и массообменом, являются прямыми. Косвенное воздействие биоты происходит через гидросферу и атмосферу. Здесь можно указать на роль растительности в охране малых рек умеренного пояса, в создании более мягкого микро- и макроклимата, в поддержании химического состава атмосферы.
Во всех перечисленных случаях можно выделить региональные и локальные воздействия атмо-, гидро- и биоконтуров на ГС. В качестве примера регионального воздействия можно привести образование пустынь, связанное со спецификой водной и атмосферной циркуляции, на западных побережьях Южной Америки и Южной Африки. Локальные воздействия обычно ограничены более мелкими неоднородностями внешних факторов, соответствующих ландшафту и экосистеме. Разнообразие локальных воздействий значительно выше и теоретически почти бесконечно.
Таким образом, при прогнозировании изменений геологической среды необходимо учитывать факторы атмо-, гидро- и биосферы. Существующая информация о состоянии атмо- и гидросферы достаточно обширна, подробна и собирается в режиме мониторинга. Важнейший вопрос заключается в том, чтобы отобрать те показатели, которые связаны с изменением ГС функциональной зависимостью. Очевидно также, что эти показатели будут различными в разных климатических и геологических условиях. При их сборе следует учитывать:
1. преобладающие в районе неблагоприятные геологические и инженерно-геологические процессы;
2. наиболее опасные (по экспертной оценке) явления в атмосфере и гидросфере;
3. устойчивость существующих экосистем и их наиболее уязвимые элементы.
Наиболее важными показателями геологической среды являются характеризующие её состав, строение и динамику. Их совокупность определяет характер и степень изменения ГС в результате техногенной деятельности человека.
Экосистемы и их особенности
Состав и структура экосистем. Для решения экосистемных проблем глобального уровня прежде всего нужно изучать экосистемный уровень организации жизни. Термин экосистема был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тэнсли. Однако только в конце ХХ века, когда была разработана общая теория систем, утверждается термин экосистема.
Экосистема - это низкоорганизационная система, в которой биологический компонент представлен биоценозом, а абиотический - биотопом.
Б и о ц е н о з - это совокупность популяций, которая функционирует в определенном пространстве абиотической среды - б и о т о п е. Структура биоценоза формируется потоком энергии и круговоротом веществ в экосистеме. Биоценоз и биотоп функционируют как единое целое.
Биоценоз + биотоп = экосистема
Состав экосистемы представлен двумя группами компонентов: абиотическими - компонентами неживой природы и биотическими - компонентами живой природы.
Абиотические компоненты - это следующие основные компоненты неживой природы:
· неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и мёртвой материей (диоксид углерода, вода, кислород, кальций магний, калий, натрий, железо, азот, фосфор, сера, хлор и др.);
· органические вещества связывающие абиотическую и биотическую части экосистем (углеводы, жиры, аминокислоты, белки, гуминовые вещества и др.);
· воздушная, водная и твёрдая среда обитания;
· климатический режим и др.
Биотические компоненты состоят из трёх функциональных групп организмов
Биотические компоненты экосистемы: продуценты, редуценты, консументы
1. Продуценты (производящий, создающий)
Фотоавтотрофы - используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала - неорганические вещества, в основном СО 2 и Н 2 О.
К этой группе организмов относятся все зелёные растения и некоторые бактерии. В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органическое вещество углеводы или сахара (СН 2 О) п
СО 2 + Н 2 О = (СН 2 О) п + О 2
Хемавтотрофы используют энергию, выделяющиеся при химических реакциях. К этой группе принадлежат натрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой а затем и азотной кислоты
2NH 3 + 3O 2 = 2NHO 2 + 2H 2 O + Q
2HNO 3 + O 2 = 2HNO 3 + Q
Химическая энергия (Q), выделенная при этих реакциях, используется бактериями для восстановления СО 2 до углеводов.
2. Редуценты (возвращающий). Участвуют в последней стадии разложения - минерализации органических веществ до неорганических соединений (СО 2 и Н 2 О и др.). Редуценты возвращают в круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов. Это, главным образом, микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.).
3. Консументы (потреблять) или гетеротрофные организмы. Осуществляют процесс разложения органических веществ. Эти организмы используют органические вещества в качестве источника питательного материала и энергии.
Фототрофы - питаются непосредственно растительными или животными организмами (крупные животные).
Сапротрофы - используют для питания органику первых остатков.
Функционирование экосистемы обеспечивается взаимодействием трёх составляющих:
· Сообщества;
· Потока энергии
· Круговорота веществ.
Поток энергии направлен в одну сторону, часть её преобразуется автотрофами в органическое вещество, небольшая часть энергии, проходя через экосистему, покидает её в виде тепловой энергии.
В отличие от энергии, элементы питания и вода могут использоваться многократно. Размеры импорта и экспорта элементов питания варьируют в зависимости от типа, размера, и возраста экосистемы.
Все экосистемы в составе биосферы являются открытыми, они должны получать энергию, вещества и организмы из среды на входе и отдавать в среду на выходе экосистемы.
Часто экосистему выделяют внутри естественных границ, например, границей озера служит береговая линия, а границами города - административная граница. Но эти границы могут быть и условными. Экосистема не может быть герметичной, так как её живое сообщество не вынесло бы такого заселения.
Пространственная структура экосистем обусловлена тем, что автотрофные и гетеротрофные процессы обычно разделены в пространстве. Первые активно протекают в верхних слоях, где доступен солнечный свет, а вторые интенсивнее в нижних слоях (почвах, донных отложениях).
Поэтому в природных экосистемах выделяют два яруса: в е р х н и й, автотрофный ярус или «зелёный пояс» Земли, который включает растения или их части, содержащие хлорофилл. Здесь преобладает фиксация света.
Нижний, гетеротрофный ярус или «коричневый пояс» Земли, представлен почвами и донными осадками, в которых преобладают процессы разложения мёртвых органических остатков растений и животных.
Раздел 2. Техногенные изменения геологической среды
Лекция 1. Основные виды воздействия горного и геологического производства
В классификационном ряду факторов окружающей среды, по А.Г. Воронову выделяются: 1) абиотические (климатические, эдафизические, орографические), 2) биотические (фитогенные, зоогенные, антропогенные) и 3) собственно антропогенные (техногенные) факторы. Особенно активно на окружающую среду влияют антропогенные факторы. Они могут загрязнять атмосферу, изменять ландшафт и рельеф, нарушать гидрологический режим, уничтожать почвы, отрицательно воздействовать на геоботанические условия и т.д.
Каждый фактор можно экологически исследовать отдельно, а могут совместно исследоваться и группы факторов. Так, среди факторов окружающей среды, влияющих на живые организмы, особую группу составляют к л и м а т и ч е с к и е или погодные условия. Приспособление живых особей к климатическим факторам изучается экологической биоклиматологией, рассматривающей, например, излучение в окружающей среде и адаптацию к этому излучению организмов, или воду и её влияние на организмы, давление, ветер и их взаимодействие на организмы и т.д.
Геологическая и окружающая среды могут нарушаться под воздействием различных факторов. Из природных наиболее разрушительными являются землетрясения, наводнения, ураганные бури, мощные грозовые (электрические) разряды, падение на Землю крупных метеоритов и др. Из техногенных факторов весьма разрушительны и экологически опасны крупные катастрофические события - ядерные взрывы, массовые взрывы при сооружении крупных строительных и добычных объектов, взрывы и пожары при несчастных случаях, связанных с разрушением экологически опасных ядерных, химических, газовых и других объектов (взрыв на Чернобыльской АЭС, заражение фенолом питьевых вод в г.Уфе, взрыв газопровода, пожар и железнодорожное крушение с человеческими жертвами в Башкирии и др.).
Изменения геологической и окружающей сред под воздействием горнодобывающей и геологоразведочной деятельности человека нередко характеризуются необратимыми преобразованиями природной среды. Эти преобразования могут выразиться в формировании искусственных отложений горных пород, проседании ландшафта окружающей земной поверхности, изменении режима подземных вод и в других негативных явлениях, соизмеримых по объемам и масштабам с естественными геологическими процессами - эрозией, размывом и сносом почв и грунтов вследствие изменения базиса эрозии, карстообразованием и др.
При добыче полезных ископаемых и г/р работах выделяются три вида техногенного воздействия на природную (геол.) среду:
Пунктуационные,
Линейные,
Площадные.
Пунктуационные виды техногенного воздействия могут быть вызваны применением технических средств и сооружений разведочных и горнодобычных комплексов, ограниченных по площади распространения (опытные карьеры, котлованы, отдельные разведочные и добычные шахты и шурфы и т.д.). Пунктуационные виды техногенного воздействия обычно ведут к изменению, каких либо отдельных компонентов геологической и окружающей среды.
К линейным видам техногенного воздействия относятся разведочные и горно-добычные сооружения, имеющие линейно-полосовую конфигурацию размещения (разведочные траншеи, канавы, протяженные штольни и штреки, подъездные пути, трубопроводы, газо - магистрали и др.).
Площадные виды техногенного воздействия имеют место при эксплуатации крупных комплексных и горнодобычных сооружений, что вызывает необходимость выполнения ареальных бульдозерных и экскаваторных расчисток, площадной раскорчевки лесных угодий под строительство, осушения значительных участков, прилегающих к опытно-эксплуатационным и промышленным карьерам и т.д.
Линейные и площадные техногенные воздействия могут привести к комбинированному изменению многих компонентов геологической и окружающей среды. Научное обоснованное предвидение отрицательных последствий необходимо для рационального природопользования.
Кроме того, по А.В. Седову, воздействия на окружающую и геологическую среду могут быть прямыми и косвенными .
К прямым изменениям относятся те, которые происходят непосредственно в пределах геологической или окружающей среды, а косвенно - те, которые происходят в зоне влияния данной среды, подвергающейся техногенному воздействию.
Прямые изменения выражаются, например, в нарушении поверхности территории, что напрямую зависит от параметров объектов разведки или добычи (месторождения, рудной зоны, рудного тела); это приводит к появлению отвалов пустых пород, терриконов, котлованов и др. сооружений или хранилищ отходов производства. Прямые изменения могут выражаться также в загрязнении водоемов, вызванным непосредственным сливом ГСМ и др. загрязняющих веществ, буровым шламам, материалом отстойников и др.
К косвенным изменениям природной среды относятся загрязнение почв и подземных вод, активизация и возникновение локальных геодинамических процессов в зоне влияния разведочных, горнодобычных и перерабатывающих промышленных комплексов или непосредственно на сопредельных элементах геологической и окружающей среды. Значительный ущерб причиняет сдвижение грунтов и, как следствие, образование мульд проседания и провалов поверхности в стороне от мест непосредственного размещения разведочных и горнодобычных объектов (пример метро г. Екатеринбурга). Нарушение гидро гео логического режима вследствие проходки подземных разведочных выработок, карьеров, добычи п. и. может привести к существенному изменению режима поверхностного стока вод, заполнению ими карьеров и образованию антропогенных озер.
Функционирование геологоразведочного и горного производства приводит к многим нарушениям элементов биосферы . Сокращается растительный покров, наносится эстетический ущерб окружающей среде. Увеличивается поступление воды в русла потоков, происходит переуглубление русел, увеличивается эрозия берегов, уменьшается питание грунтовых вод.
Лекция 2 . Техногенная миграция элементов. Физи ческое и химическое загрязнение
К проявлениям техногенеза можно отнести: а) переход химических элементов, их соединений и групп в подвижную форму, б) миграцию элементов, в) осаждение химических элементов и соединений [на геохимических барьерах] и г) образование в связи с этим аномальных концентраций элементов и соединений.
Переход в подвижную форму у разных по химическим свойствам соединений осуществляется различно: газы регулярно поступают в атмосферу из глубинных уровней земной коры (радон и гелий) или высвобождаются из пород и почв, где они были сорбированы, под влиянием повышения температуры; водные растворы перемещаются в литосфере под действием гравитационных сил и перепада давления, а растворенные в них соединения - также и под влиянием диффузии.
Миграция элементов. Все процессы техногенной миграции можно четко разделить на две большие группы: в основе своей унаследованные от биосферы , хотя и претерпевшие изменения; чуждые биосфере , не имевшие в ней сколько-нибудь существенного развития и даже вообще не существовавшие ранее в биосфере и находящиеся в существенном противоречии с природными условиями.
Техногенная миграция параллелизуется с крупными группами техногенных воздействий. Таких крупных групп обособляется две:
1) Типы воздействия, связанные преимущественно с изъятием вещества.
2) Типы воздействия, связанные преимущественно с поступлением - привносом веществ в природную среду в процессе производства.
Как же идет эта миграция? В коренных породах существует определенная специализация . Для элементов здесь характерны, например: для свинца - месторождения в соответствующих рудных районах; ртути - крупные ртутоносные зоны такие, как горно-алтайские, кадмия - рудные районы с интенсивной Zn -колчеданной минерализацией, например Урал. Это первое звено в цепи миграции.
Водная миграция «свободная» - осуществляется в водах циркулирующих на континентах в реках и внутренних водоёмах. Главное значение имеет поверхностный и подземный стоки. Вокруг рудников и горнорудных предприятий рудничные воды минерализованы относительно сильно: в Мончегорском районе степень их минерализации изменяется в пределах от 0,6 до 3,8 г/л, особенно высокие концентрации характерны для никеля.
Миграция в атмосфере . Природная: поступление в атмосферу с парами воды очень мелких частиц аэрозолей самого разного состава, поступающих из литосферы газов - углеводородов, гелия, радона, СО 2 и др. Основная масса тяжелых металлов, участвующих в атмосферной миграции, содержится в аэрозолях, кроме Hg, As, Se, Sb, и мигрирует в виде паров. Установлено, что 80-90% тяжелых металлов, содержащихся в аэрозолях, связано с частицами размера около 1 микрона. Время пребывания таких частиц в атмосфере приблизительно пять суток, а наиболее мелкие частицы выпадают на землю через три недели. Аэрозоли наиболее обогащены (относительно) кадмием, а также Pb и Sn.
Техногенная атмосферная миграция . Главным источником техногенного загрязнения атмосферы являются предприятия металлургической и обрабатывающей промышленности, урбанизированные зоны и наземные испытания ядерных зарядов. Поступление тяжелых металлов в окружающую среду через атмосферу происходит интенсивно. В составе аэрозолей городского района в среднем на тяжелые металлы приходится 10% массы. Расстояния, на которых фиксируются следы пылевой техногенной миграции, составляют десятки километров.
Ещё одна форма миграции металлов в атмосфере - со снегом. В городе в снеговой воде общая минерализация увеличивается в 500 раз, рН достигает 9, содержание химических элементов: S - 1500 раз, Ca - в 600, хрома - в 60, ртути - в 10 раз.
Физическое и химическое загрязнение :
Загрязнение природной среды. Появление в природной среде новых компонентов, вызванное деятельностью человека или какими-либо грандиозными природными явлениями (например, вулканической деятельностью), характеризуют термином загрязненность . В общем виде загрязненность - это наличие в окружающей среде вредных веществ, нарушающих функционирование экологических систем или их отдельных элементов и снижающих качество среды с точки зрения проживания человека или ведения им хозяйственной деятельности. Этим термином характеризуются все тела, вещества, явления, процессы, которые в данном месте, но не в то время и не в том количестве, какое естественно для природы, появляются в окружающей среде и могут выводить ее системы из состояния равновесия.
Экологическое действие загрязняющих агентов может проявляться по-разному, оно может затрагивать либо отдельные организмы (проявляться на организменном уровне, либо популяции, биоценозы, экосистемы и даже биосферу в целом).
На организменном уровне может происходить нарушение отдельных физиологических функций организмов, изменение их поведения, снижение темпов роста и развития, снижение устойчивости к воздействиям иных неблагоприятных факторов внешней среды.
На уровне популяций загрязнение может вызывать изменение их численности и биомассы, рождаемости, смертности, изменения структуры, годовых циклов миграций и ряда других функциональных свойств.
На биоценотическом уровне загрязнение сказывается на структуре и функциях сообществ. Одни и те же загрязняющие вещества по-разному влияют на разные компоненты сообществ. Соответственно меняются количественные соотношения в биоценозе, вплоть до полного исчезновения одних форм и появления других. Изменяется пространственная структура сообществ, цепи разложения (детритные) начинают преобладать над пастбищными, отмирание - над продукцией. В конечном счете происходит деградация экосистем, ухудшение их как элементов среды человека, снижение положительной роли в формировании биосферы, обесценение в хозяйственном отношении.
Различают природное и антропогенное загрязнения . Природное загрязнение возникает в результате естественных причин - извержения вулканов, землетрясений, катастрофических наводнений и пожаров. Антропогенное загрязнение - результат деятельности человека.
В настоящее время общая мощность источников антропогенного загрязнения во многих случаях превосходит мощность естественных. Так, природные источники окиси азота выбрасывают 30 млн. т азота в год, а антропогенные - 35-50 млн. т; двуокиси серы, соответственно, около 30 млн. т и более 150 млн. т. В результате деятельности человека свинца выпадает в биосферу почти в 10 раз больше, чем в процессе природных загрязнений.
Загрязняющие вещества, возникающие в результате деятельности человека и их влияние на среду очень разнообразны. К ним относятся: соединения углерода, серы, азота, тяжелые металлы, различные органические вещества, искусственно созданные материалы, радиоактивные элементы и многое другое. экосистема техногенный миграция экологический
Так, по оценкам экспертов, в океан ежегодно попадает около 10 млн. т нефти. Нефть на воде образует тонкую пленку, препятствующую газообмену между водой и воздухом. Оседая на дно, нефть попадает в донные отложения, где нарушает естественные процессы жизнедеятельности донных животных и микроорганизмов. Кроме нефти, значительно возрос выброс в океан бытовых и промышленных сточных вод, содержащих, в частности, такие опасные загрязнители, как свинец, ртуть, мышьяк, обладающие сильным токсичным действием. Фоновые концентрации таких веществ во многих местах уже превышены в десятки раз.
Химическое загрязнение окружающей среды . Последствия химического загрязнения окружающей среды для человека могут быть различными, в зависимости от природы, концентраций и времени действия. Реакция на загрязнения зависит от возраста, пола, состояния здоровья. Наиболее уязвимы дети, пожилые и больные люди. При систематическом поступлении в организм токсичных веществ могут наступать хронические отравления, признаками которых являются: нейропсихические отклонения, утомление, сонливость или бессонница, апатия, ослабление внимания, забывчивость, колебания настроения и др. Сходные признаки наблюдаются и при радиоактивном загрязнении среды, превышающем нормы. Высокотоксичные соединения часто приводят к хроническим заболеваниям различных органов и нервной системы.
Канцерогены вызывают особую озабоченность людей. Установлено, что многие вещества (хром, никель, бериллий, свинец, бенз(а)пирен, асбест, табак и др.) являются канцерогенами.
Многие канцерогены могут вызвать необратимые изменения в генах, называемые мутацией.
Фактически сегодня отсутствуют надежные способы для испытания 9000 синтетических веществ, производимых в настоящее время (к тому же число их ежегодно увеличивается на 500-1000). В США, например, по данным Национального института профессиональной безопасности и здоровья, каждый четвертый рабочий, т.е. почти 22 млн. человек, может подвергаться действию токсичных веществ: ртути, свинца, пестицидов, асбеста, хрома, мышьяка, хлороформа и др. Не составляют исключения и служащие, которые подвергаются действию вредных веществ в воздухе, так же как и семьи рабочих, контактирующих с этими веществами через рабочую одежду. Воздействуя на организм, вредные вещества вызывают острые и хронические заболевания: острые возникают после однократного воздействия и могут приводить к смертельному исходу, хронические развиваются в результате систематического воздействия доз, не приводящих к острому отравлению. Хронические заболевания часто вызывают соединения свинца, марганца, пары ртути и др. Некоторые вещества, например, синильная кислота или цианистый калий, вызывают только острые отравления.
Лекция 3. Радиоактивное загрязнение геологической среды
Воздействие физических экологических факторов на здоровье человека имеет не меньшее влияние, чем влияние химических соединений. Важнейший фактор здесь - ионизирующие излучения.
Ионизирующее излучение состоит из рентгеновских лучей, - лучей и космических лучей. Эти виды лучей обладают энергией, достаточной для превращения ионов в атомы с высвобождением электронов. Воздействием этих ионов и обусловлены изменения в клетках организма. Распад ядер р/а элементов также порождает ионизирующее излучение, состоящее из -, - и - лучей. Наиболее опасно -излучение, т.к. оно проходит даже через несколько сантиметров свинцовой защиты.
Люди подвергаются действию ионизирующих излучений при рентгене, р/а распаде элементов и из космоса. Доза облучения чаще всего измеряется в бэрах (1бэр эквивалентен по биологическому воздействию дозе в 1 рентген).
Если исключить воздействие источников, созданных человеком, то уровень излучения будет соответствовать естественному радиационному фону. Естественный фон в США равен 100-150 миллибэр в год. Средняя доза, получаемая при рентгене, оценивается в 90 мбэр в год.
Около половины всех излучений поступает от природных источников. 1/3 здесь составляют космические лучи, 1/3- природные радиоактивные элементы в почвах и горных породах, 1/3 - р/а элементы (К 40 и др.) в организме человека. Некоторые стройматериалы (гранит, фосфогипс) также могут быть источником излучения.
Важную роль во многих странах играет атомная энергетика. В наиболее распространенных атомных электростанциях на тепловых нейтронах через реактор, в котором находятся тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) с обогащенным ураном (концентрация 235 U повышена до 2-4,4%, остальное - 238 U), протекает теплоноситель, обычно вода. В результате распада атомов 235 U под действием тепловых нейтронов в ТВЭЛах происходит выделение энергии, и температура протекающей воды повышается. Далее эта вода поступает в парогенератор, там возникает пар, который действует на турбину, связанную с ротором синхронного генератора, где генерируется электрическая энергия, направляющаяся по линиям электропередачи к потребителям (как и в случае ТЭС). Пар охлаждается в конденсаторе теплообменника с помощью воды и снова поступает в парогенератор.
...Подобные документы
Геологическая среда как верхняя часть литосферы - многокомпонентной динамичной системы. Обострение экологической ситуации в Республике Беларусь. Характеристика геологической среды Гомельской области, экологическая оценка техногенной нагрузки на нее.
курсовая работа , добавлен 15.07.2013
Основные понятия и определения. Нормирование качества воздуха. Нормирование качества воды. Нормирование качества почвы. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в продуктах питания. Классы опасности химических соединений.
реферат , добавлен 07.02.2004
Особенности взаимосвязи живых организмов друг с другом со средой обитания. Понятие и виды экосистем, их значение в природе и жизни человека. Оценка экологического состояния Челябинской области. Методика ознакомления старших дошкольников с экосистемами.
реферат , добавлен 22.05.2013
Механические нарушения ландшафта и загрязнение элементов окружающей среды как виды воздействия геолого-разведочных работ. Влияние проведения открытой добычи полезных ископаемых на экологию. Схема взаимодействия карьера и шахты с окружающей средой.
презентация , добавлен 17.10.2016
Масштабы негативного воздействия человека и промышленности на природную среду. Техногенная ситуация в России. Оценка качества природной среды. Санитарно-гигиенические нормативы качества. Нормативы предельно допустимого уровня радиационного воздействия.
реферат , добавлен 09.11.2010
Основные виды и масштабы негативного воздействия человека и промышленности на природную среду. Техногенная ситуация в России. Оценка качества природной среды: санитарно-гигиенические нормативы, предельные концентрации вредных веществ и уровня радиации.
реферат , добавлен 25.10.2011
Географическое положение и ландшафтная характеристика территории. Оценка состояния компонентов окружающей среды: воздушной среды, водных ресурсов, геологической среды, подземных вод, почв. Оценка воздействия на атмосферный воздух. Санитарно-защитная зона.
дипломная работа , добавлен 07.09.2010
Предельно допустимые нормы нагрузки на природную среду. Нормирование воздействий на растительный и животный мир. Информативная биогеохимическая оценка состояния растительных экосистем. Характеристика ботанических критериев нарушенности экосистем.
реферат , добавлен 10.12.2010
Показатели, характеризующие уровень антропогенного воздействия на окружающую природную среду. Критерии качества окружающей среды. Требования к питьевой воде. Предельно допустимые концентрации химических веществ в почве. Индексы загрязнения атмосферы.
презентация , добавлен 12.08.2015
Зоны чрезвычайной экологической ситуации и экологического бедствия. Экологическая сукцессия, понятие о климаксных системах. Биотические экологические факторы, методы изучения экосистем. Нормирование ЭМП и ионизирующих излучений, экологический контроль.
Геоэкология выделилась в отдельную науку около ста лет назад, когда немецкий географ Карл Тролль описал область изучения ландшафтной экологии. С его точки зрения, эта должна объединять и экологические принципы в исследовании экосистем.
Геоэкология развивалась медленно, в Советском Союзе этот термин впервые был озвучен в 70-х годах. К началу XXI века обе смежные области – и – стали достаточно точными для предсказания, как будет меняться природа и различные оболочки Земли в зависимости от человеческого влияния. Более того, ученые уже могут способы решения проблем, связанных с отрицательным воздействием техногенной деятельности на природу. Поэтому геоэкология в новом тысячелетии стала развиваться быстрыми темпами, сфера ее деятельности расширилась.
Геоэкология
Несмотря на то что эта становится все более востребованной, с научной точки зрения она описана недостаточно. Исследователи более или менее сходятся во мнении по поводу задач геоэкологии, но четкого предмета исследования этой науки они не дают. Одно из наиболее распространенных предположений о предмете звучит так: это процессы, происходящие в среде и в различных оболочках Земли – гидросфере, атмосфере и других, которые возникают в результате антропогенного вмешательства и влекут за собой определенные последствия.
В изучении геоэкологии есть очень важный фактор – необходимо учитывать как пространственные, так и временные отношения в исследованиях. Иными словами, для геоэкологов имеет значение как влияние человека на природу в различных географических условиях, так и изменения этих последствий во времени.
Геоэкологи исследуют источники, которые воздействуют на биосферу, изучают их интенсивность и выявляют пространственное и временное распределение их действия. Они создают специальные информационные системы, с помощью которых можно обеспечить постоянный контроль над природной средой. Наряду с экологами они рассматривают уровни загрязнения в различных областях: в Мировом океане, в литосфере, во внутренних водах. Они стараются обнаружить влияние человека на формирование экосистем и их функционирование.
Геоэкология занимается не только существующей сейчас ситуацией, но и прогнозирует, и моделирует возможные последствия происходящих процессов. Это позволяет предупредить нежелательные изменения, а не бороться с их последствиями.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СОДЕРЖАНИЕ ГЕОЭКОЛОГИИ КАК НАУКИ
Термин «геоэкология» более 80 лет используется в экологии, географии, геологии для обозначения области междисциплинарных знаний. Однако его универсальное, общепризнанное определение пока отсутствует.
Пристальный интерес к этой науке со стороны исследователей разных научных направлений, широкий охват проблем предопределяют некоторые разногласия в понимании содержания этого научного направления.
Обратимся к этимологии термина «геоэкология», которая, на наш взгляд, достаточно подробно рассмотрена в учебнике Г.Н. Голубева (2006). Слово «геоэкология» состоит из трех корней греческого происхождения.
Корень «гео» происходит от греческого «Гага», имени греческой богини Земли Геи, традиционно охватывает науки о Земле, подчеркивая их единство и взаимозависимость, и при этом ставит на первое место Землю в целом, обусловливая необходимость понимания, прежде всего, общеземных, глобальных процессов, а затем уже, на этой базе, явлений более низкого иерархического уровня, относящихся к отдельным регионам и местностям.
Корень «эко» происходит от греческого «oiKoq» (ойкос), т.е. «дом». И означает, что в рамках геоэкологии Земля рассматривается как дом для живых существ разных уровней: видов, их комбинаций, складывающихся в экосистемы, биомов как крупных пространственных биологических систем и всей совокупности живого вещества Земли. Отсюда вытекает определение основной задачи геоэкологии: исследование Земли как системы, с первоочередным вниманием к глобальным (общемировым) вопросам. И в такой постановке неизбежным оказывается пересечение в рамках геоэкологии сфер интересов как естественных, так и общественных наук.
Корень «гео» отождествляет неживую природу, в то время как корень «эко» обозначает ее живую часть. В этом сочетании комбинация «геоэко» отражает единство неживой и живой природы.
Корень «лог» происходит от греческого «Хоуос,» (логос) - слово, учение и является частью сложных слов, означающей науку, знание, учение. Этот корень используется достаточно широко для обозначения названия наук как естественного, так и общественного цикла, например геология, биология, филология, социология и т.п.
Таким образом, исходя из этимологии термина, геоэкология - это наука о единстве живой и неживой природы или, иными словами, наука о доме под названием «Земля».
Если рассматривать значение слов, входящих в состав рассматриваемого термина «геоэкология», то первоначально предложенный Эрнестом Геккелем в 1866 г. термин «экология» означал познание «экономики природы», одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами среды. Под экологией понималась наука, изучающая все сложные взаимосвязи в природе, рассматриваемые как условия борьбы видов за существование, а также представляющая собой раздел биологии, исследующий взаимозависимости между живыми существами и их окружением. Современное же понимание экологии несколько шире.
Первым ученым, употребившим собственно термин «геоэкология», был немецкий географ К. Тролль, который понимал под ней одну из ветвей естествознания, объединяющую экологические и географические исследования в изучении экосистем. По его мнению, термины «геоэкология» и «ландшафтная экология» как раздел географии являются синонимами.
Тролль Карл -Troll Carl (1899-1975). Немецкий физико- географ, с 1930 г. профессор колониальной и «заморской» географии Берлинского университета, с 1938 г. профессор географии и директор Географического института Боннского университета (в 1960-1961 гг. ректор университета). Президент Международного географического союза (1960- 1964 гг.). Участвовал (с 1926 г.) в экспедициях в горные районы Северной и Южной Америки, Африки, Центральной Азии. Основные труды по изучению рельефа, климата, растительности и их взаимосвязей, особенно в горных и тропических странах, а также по проблемам экологии ландшафтов. Основатель ландшафтной экологии (1939 г.), или геоэкологии (1968 г.), как учения о взаимодействии рельефа, климата, растительности и человеческого общества.
В период экологического «алармизма», начавшегося с 1950-х гг., все проблемы взаимодействия технически вооруженного человечества с окружающей средой стали относить к области экологии. Однако термином «экология», с одной стороны, стали обозначать научное направление, предложенное Э. Геккелем, а с другой - науку о взаимодействии общества и природы. В отношении второй его функции было крайне неверно относить экологию к биологической области знаний, поскольку научные корни так называемой большой экологии преимущественно формировались за пределами биологии. В связи с этим назрела необходимость обозначения нового научного направления и определения его отличия собственно от экологии, как раздела биологии. Достаточно активно подобный процесс начал происходить в конце 60-х годов XX в., когда и началось активное употребление термина «геоэкология».
В России широкое использование термина «геоэкология» началось с 1970-х гг., после упоминания его известным советским географом В. Б. Сочавой, который определил геоэкологию как науку о состоянии геологической среды и всех ее компонентов, о происходящих в ней процессах, активизация которых может отражаться (в том числе и негативно) на состоянии других геосфер Земли. В таком понимании содержание геоэкологии принципиально отличалось от введенного К. Троллем и по существу представляло собой новую геологическую науку. Однако В.Б. Сочаве не суждено было в дальнейшем развить это научное направление.
Виктор Борисович Сочдва (1905-1978). Русский географ, геоботаник и ландшафтовед, академик АН СССР. Работал в Биологическом музее, Ботаническом институте АН СССР, Арктическом институте (г. Ленинград). В 1938-1958 гг. - преподаватель (с 1944 г. - профессор) ЛГУ, в 1959-1976 гг. -директор Института географии Сибири и Дальнего Востока СО АН СССР (Иркутск), в 1976-1978 гг. - старший научный сотрудник-консультант этого института.
Основоположник Сибирской географической школы, создатель нового направления в географической науке - учения о геосистемах. Выделил топологический, региональный и планетарный масштабы геосистем и создал их дробную иерархическую классификацию. Его имя носит институт географии Сибирского отделения РАН в г. Иркутске.
И все же, учитывая насущную необходимость появления подобной науки и отчасти благодаря усилиям ученого-энциклопедиста Н.Ф. Рей- мерса, термин «геоэкология» стал утверждаться особенно быстро в 80-90-х годах прошлого века. Н. Ф. Реймерс предложил классическую экологию называть «биоэкологией», для того чтобы отличать ее от социальной экологии и геоэкологии. Геоэкология, по мнению Н.Ф. Реймерса, представляет собой раздел экологии, исследующий экосистемы (геосистемы) высоких иерархических уровней - до биосферы включительно.
В последней четверти XX в. термин стал широко использоваться почти во всех естественных науках, потерял свою четкость и стал термином «свободного пользования». Термин «геоэкология» с 1980-х гг.
появился в названиях некоторых кафедр и даже факультетов российских вузов, на обложках книг, журналов, а также в названиях лекционных курсов. Считается, что как отдельная наука геоэкология окончательно сложилась в начале 90-х годов XX в.
За время, прошедшее с начала становления данного научного направления, к определению его содержания обращалось достаточно большое количество видных ученых. Однако смысл слова «геоэкология» все еще трактуется по-разному. На сегодняшний день наиболее полный анализ становления понятийной базы этого научного направления сделан в работах В.Т. Трофимова. В свое время (2009) были обозначены так называемые «парадоксы» этой новой динамично развивающейся науки, которые в упрощенном виде сводятся к шести простым позициям, таким как:
- 1) «многоликость» понимания содержания термина;
- 2) «многоликость» понимания структуры как науки;
- 3) отсутствие четко определенных теоретических задач;
- 4) неоднозначное отношение к необходимости оценки состояния биоты;
- 5) неоднозначное отношение к необходимости изучения воздействия природных и антропогенных факторов;
- 6) неразработанность вопроса о междисциплинарном характере науки.
Начиная с последнего из перечисленных «парадоксов», охарактеризуем нынешнее положение в области развития геоэкологии как науки. В настоящее время уже ни у кого не вызывает сомнения, что геоэкология является междисциплинарной наукой. В становлении этого научного направления определенный приоритет имели география и геология. Является также общепризнанным, что на сегодняшний день обособленное исследование явлений и процессов природы с позиции отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным.
Кроме того, следует отметить, что поскольку в геоэкологии как комплексной междисциплинарной науке рассматриваются экологические последствия влияния процессов, происходящих в геосферах Земли, на состояние живых организмов (что дает, по сути, ответ на четвертый из перечисленных выше «парадоксов»), населяющих нашу планету, то, рассматривая взаимное влияние процессов в геосферах Земли на существование человека как одного из представителей живых существ на планете, геоэкология не может полностью исключать из своего рассмотрения социально-экономические аспекты этого влияния.
В целом геоэкология во многом по-другому начинает раскрывать известные ранее законы природы и подошла к открытию новых. Тем самым она оказывает мощное воздействие на развитие общества. Без сомнения геоэкологию можно отнести к числу наиболее важных областей знания, призванных обеспечить выживание человечества. И недаром в своих трудах один из видных ученых-современников, С.П. Горшков (2001), отмечал, что геоэкология становится одной из главных наук XXI в.
Последовательное раскрытие остальных позиций, связанных с обозначенными В.Т. Трофимовым «парадоксами» современной геоэкологии, будет дано в последующем изложении материала настоящего учебного пособия.
Рассмотрим основные современные трактовки содержания геоэкологии как науки, предложенные разными авторами.
Так, по мнению В.И. Осипова (1997), геоэкология - это наука, изучающая геосферные оболочки Земли как компоненты окружающей среды и минеральную основу биосферы и происходящие в них изменения под влиянием природных и техногенных факторов, а также неорганическое вещество биосферы и происходящие в нем изменения. Живое вещество (в том числе и человек) не является объектом ее исследования. С последним утверждением нельзя полностью согласиться, поскольку без рассмотрения влияния изменений, происходящих в неорганическом веществе биосферы геоэкология теряет свою экологическую направленность и превращается в традиционную науку о Земле. Однако собственно живое вещество вполне справедливо не является объектом изучения геоэкологии. Влияние процессов в неорганическом веществе раскрывается через предмет геоэкологии. Именно система знаний о влиянии (на первых стадиях элементарная оценка влияния) этих процессов на живые организмы должна стать предметом изучения геоэкологии.
В.Т. Трофимовым (2002) геоэкология трактуется как междисциплинарная наука, изучающая экологические функции абиотических сфер Земли, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения под влиянием природных и техногенных причин в связи с жизнью и деятельностью биоты и прежде всего - человека. Данное определение весьма удачно отражает все аспекты в содержании понятия геоэкологии, но зачастую представляется сложным для понимания студентами. Основную трудность представляет объем понятия, вкладываемого в представление об «экологических функциях абиотических сфер». Однако это определение может быть взято за основу и по мере развития геоэкологии должно стать главным.
Г.Н. Голубевым (2006) геоэкология определялась как междисциплинарное научное направление, изучающее систему взаимосвязанных геосфер Земли в процессе их интеграции с обществом. Такая трактовка содержания геоэкологии, к сожалению, не снимает обозначенных выше, в формулировке В.Т. Трофимова, «парадоксов» этой науки, поскольку не раскрывает позиции, связанные с необходимостью рассмотрения влияния процессов, происходящих в геосферах Земли, на ю
живое и необходимость изучения воздействия как антропогенных, так и природных факторов.
В формулировке Высшей аттестационной комиссии при Минобрнауки Российской Федерации (формула научной специальности «Геоэкология» - 25.00.36) (http://vak.ed.gov.ru) геоэкология - это междисциплинарное научное направление, объединяющее исследования состава, строения, свойств, процессов, физических и геохимических полей геосфер Земли как среды обитания человека и других организмов. В раскрытии содержания этой специальности указывается, что геоэкология ориентирует исследователей:
- на изучение биологически значимых природных и антропогенных изменений в природной среде;
- изучение сложных природных процессов, протекающих при различных антропогенных воздействиях;
- выявление предельных антропогенных нагрузок на природные системы.
И подобная трактовка вполне удовлетворяет современным представлениям о содержании геоэкологии как науки. Кроме того, позиции, раскрывающие содержание дисциплины, могут рассматриваться как задачи этой науки, с одной оговоркой: в последних двух позициях нет необходимости уточнять, что рассмотрение ведется лишь антропогенных воздействий и нагрузок (выделены курсивом).
Геоэкология - междисциплинарная отрасль знаний, рассматривающая экологические последствия природных и антропогенных процессов, происходящих в геосферах Земли.
Безусловно, что по мере развития геоэкологии определение этой науки будет совершенствоваться.
Следует также отметить, что геоэкология появилась, когда деятельность человека стала существенным фактором преобразования Земли. Она основывается на глобальном, общемировом подходе, но на этой основе не меньшее значение имеют проблемы регионального и локального характера.
Говоря о содержании и основных атрибутах геоэкологии как науки, а именно об объекте и предмете ее изучения, следует подчеркнуть, что, по мнению большинства исследователей, эта наука имеет дело не с Землей в целом, а лишь с относительно тонкой поверхностной оболочкой, где пересекаются геосферы (атмосфера, гидросфера, литосфера и биосфера) и где живет и действует человек. По отношению к этой комплексной оболочке Г. Н. Голубевым был предложен термин «экосфера», который наиболее точно отражает ее сущность. Однако этот термин не является общепринятым. Экосфера, по определению Г.Н. Голубева, представляет собой всемирную область интеграции геосфер и общества. По мнению этого автора, экосфера является объектом изучения в геоэкологии.
Наряду с понятием «экосфера» существует еще несколько подобных понятий, употребляемых в литературе. Как правило, они плохо определены, и границы между ними нечетки. Это такие понятия, как «окружающая среда», «природная среда», «геологическая среда», «географическая оболочка», «биосфера», «социобиотехносфера» и др. Рассмотрим кратко содержание и соотношение этих понятий, сравнивая их с термином «экосфера», для того чтобы в дальнейшем определить объект изучения геоэкологии как науки.
Термин «окружающая среда» употребляется чаще других подобных понятий. Он возник в русском языке для обозначения понятий, отражающих новые для науки междисциплинарные области знания, касающиеся взаимоотношений человека с окружающей его средой. Ему соответствуют: «environment» по-английски и по-французски, «umwelt» по-немецки, «medio ambiente» по-испански, «ambiente» по- итальянски. Часто возникает необходимость образовать прилагательное от словосочетания «окружающая среда». В русском языке термину «окружающая среда» и термину «экология» соответствует прилагательное «экологический». Это создает определенную путаницу в понятиях. В английском языке ситуация несколько иная: слову «environment» соответствует прилагательное «environmental», отличающееся по смыслу от слова «ecological», происходящего от «ecology». Термин «окружающая среда» подчеркивает взаимоотношения общества с окружающей его природой. Экологические проблемы в понятии «окружающая среда» носят все же локальный характер, а из них уже выстраиваются глобальные проблемы. Кроме того, в термине «окружающая среда» ярко выражены интересы, ориентированные на человека. Часто даже говорят и пишут «окружающая человека среда». Таким образом, понятие «окружающая среда» антропоцен- трично, т.е. оно ставит в центр нашего мира человека, забывая о том, что человек это часть природы.
Если представить окружающую среду в виде двух основных компонентов, естественного и общественного, то термин «природная среда» относится к первому, т.е. «природная среда» является частью окружающей. И для этого термина справедливы все те же замечания, высказанные в отношении термина «окружающая среда».
Под широко используемым в географии термином «географическая оболочка» понимается целостная и непрерывная оболочка Земли, где ее составные части - верхняя часть литосферы (земная кора), нижняя часть атмосферы (тропосфера, стратосфера), гидросфера и биосфера, а также антропосфера - проникают друг в друга и находятся в тесном взаимодействии, между ними происходит непрерывный обмен веществом и энергией. Предложенный Г.Н. Голубевым термин «экосфера» представляет собой общемировую область интеграции природы и общества и отличается от понятия «географическая оболочка», в котором на первое место все же ставится взаимосвязь и взаимодействие различных природных сфер, или геосфер (атмосферы, гидросферы, биосферы и литосферы).
Термин «геологическая среда», введенный Е.М. Сергеевым (1979) и чаще употребляемый в геологии, отражает интерес и вовлеченность этой науки в геоэкологические проблемы, особенно в проблемы взаимодействия верхних горизонтов литосферы и деятельности человека. Геологическая среда - верхняя часть литосферы, которая рассматривается как многокомпонентная динамичная система, находящаяся под воздействием инженерной деятельности человека, и которая, в свою очередь, в известной степени определяет эту деятельность. Очевидно, что геологическая среда представляет лишь одну из частей объекта изучения геоэкологии как науки.
В литературе, особенно в публицистической и научно-популярной, часто используется понятие «биосфера» в приложении ко всей совокупности природных явлений и процессов, взаимодействующих с обществом. Биосфера - это оболочка Земли, заселенная живыми организмами и преобразованная ими. Она включает почти всю гидросферу, нижнюю часть атмосферы и верхнюю часть земной коры. Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов. Термин «биосфера» ближе всего соответствует понятию «природная среда». Данный термин получил широкое распространение благодаря трудам В.И. Вернадского, который, используя его, справедливо подчеркивал исключительную роль живого вещества в формировании и функционировании Земли как системы. Однако в этом термине в явном виде не определена роль человека. Кроме того, понятие «биосфера» часто обозначает также сферу живого вещества как одну из геосфер Земли, наряду с литосферой, атмосферой и гидросферой.
Термин же «социобиотехносфера», используемый М.А. Водяновой и др. (2010), не определен четко, но исходя из его состава это некая оболочка, в которой взаимодействуют три подсистемы: социальная, биотическая и техническая. В такой трактовке из этой оболочки исключается или ставится на второй план природная составляющая. Однако вполне очевидно, что влияние природной составляющей является определяющим в формировании условий существования жизни на Земле.
Из приведенного рассмотрения отметим, что на сегодняшний день однозначного представления об объекте изучения этой науки не сформировалось. Наибольшая трудность, на наш взгляд, заключается в выделении границ той комплексной оболочки, которая является объектом изучения геоэкологии. Вполне очевидно, что процессы, происходящие в глубинных оболочках Земли, равно как и процессы космического характера, оказывают существенное влияние на населяющие Землю организмы. В силу чего при решении конкретных задач границы рассмотрения могут существенно варьировать.
Приведем авторские представления об основных атрибутах геоэкологии как науки, которые позволяют во многом избежать рассмотренных ранее неопределенностей. Будем в качестве объекта изучения геоэкологии рассматривать экосистему Земли со всеми входящими в нее компонентами. Предмет же изучения определим как систему знаний о реакции экосистемы Земли на воздействие внутренних и внешних факторов. В свою очередь, экосистема Земли представляет собой совокупность трех подсистем:
- абиотических сфер (атмосферы, гидросферы, литосферы и педо- сферы);
- живых организмов;
- источников воздействия природного и техногенного происхождения.
Особенность включения в состав экосистемы Земли человека приводит нас к необходимости включения в круг вопросов, рассматриваемых геоэкологией, социально-экономических аспектов, поскольку человек в отличие от других представителей биоты характеризуется наличием нравственных качеств и жесткой структурой социальной системы.
Попытаемся в соответствии с этими представлениями изложить в последующих главах содержательную часть геоэкологии как науки.
Можно выделить, по меньшей мере два крупных направления в понимании термина «геоэкология», предмета, целей и задач этой науки: 1. Геоэкология рассматривается, как экология геологической среды . При таком подходе геоэкология изучает закономерные связи (прямые и обратные) геологической среды с другими составляющими природной среды -- атмосферой, гидросферой, биосферой, оценивает влияние хозяйственной деятельности человека во всех её многообразных проявлениях и рассматривается как наука на стыке геологии, геохимии, биологии и экологии. 2. Геоэкология трактуется как наука, изучающая взаимодействие географических, биологических (экологических) и социально-производственных систем. В этом случае геоэкология изучает экологические аспекты природопользования, вопросы взаимоотношений человека и природы, для неё характерно активное использование системной и синергетической парадигм, эволюционного подхода. Здесь геоэкология рассматривается как наука на стыке географии и экологии. Существует и ряд других воззрений на геоэкологию. Так, можно выделить различные трактовки в зависимости от того, какую науку (географию или экологию) автор принимает за основу геоэкологии. Ряд авторов рассматривает геоэкологию как экологизированную географию, изучающую приспособление хозяйства к вмещающему ландшафту. Другие - частью экологии, в которой изучаются последствия взаимодействия биотических и абиотических компонентов. Многие учёные считают геоэкологию результатом современного развития и синтеза целого ряда наук: географических, геологических, почвенных и других. Эти авторы выступают за широкое понимание геоэкологии как интегральной науки экологической направленности, изучающей закономерности функционирования антропогенно измененных экосистем высокого уровня организации.
5* Понимание геоэкологии в географическом и геологическом подходах
Геологический подход является ключевым , но не основным. Проблематика разрабатывалась в рамках геоэкологии. Резудьтат-экологическая геология, объектом является совокупность геосфер. Состав основного объекта среды включает: - геосферу, литобиосферу,литосферу,подземную часть техносферы. Геологическая среда является объектом геологической экологии, так как находится во взаимосвязи с техносферой,атмосферой,биосферой. Задачи геологического этапа : 1.изучение геологической среды, 2. Выявление опасных процессов природного и техногенного характера, которые могут угрожать обществу и сооружениям. Предмет : экологические функции и свойства экологической среды. Геология – сфера изучения законов литосферы и геосферы, выявляющая роль внешних геосфер земли и преобладающей деятельности человека. Геологическая экология: экогеохимия, экогеоморфология,экогеодинамика. Географический подход . Географам принадлежит первые сведения о геоэкологии. Карл Тролль автор термина «геоэкология» 1939год. Географы впервые включили в объект исследования природные ландшафты. Географическая наука сформировала предпосылки к геоэкологии : 1. География природных экосистем и биогеография изучают закономерности функционирования систем различного уровня. Результат-выявление экологических закономерностей географических зон 2. географы часто используют экологические оценки и подходы при расширении связей между социально-экономическим развитием и ос. 3. исследование медицины, географии заболеваний, вызванные изменением состояния ос и геохимическими особенностями природных и техногенных систем 4. геоэкология изучает современные ландшафты, имеет связь с экологией ландшафтов, но конечной целью является задача оптимизации природных ресурсов. 5. геоэкология является продолжением концепции конструктивной географии.
