Законы функционирования экосистем

Открытие, знание и применение законов позволяет с большей долей разумности использовать природный потенциал, сохраняя при этом среду обитания в устойчивом пригодном для существования большинства видов планеты Земля состоянии.

Закон минимумаили закон Ю.Либиха. Выносливость организма, определяемая самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. В соответствии с этим законом жизненные возможности организма лимитируют экологические факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму. При дальнейшем их снижении происходит гибель организма или деструкция экосистемы.

Закон необратимости взаимодействия человек-биосфера. Возобновляемые природные ресурсы делаются невозобновляемыми в случаях глубокого изменения среды, значительной переэксплуатации, доходящей до поголовного уничтожения видов или крайнего истощения природных ресурсов, а потому превышающей возможности их восстановления.

Закон обратимости биосферы действует только в определенных рамках. Если внешнее воздействие превышает буферные возможности биосферы, то в силу вступает закон необратимости взаимодействия «человек-биосфера». Например, животные ресурсы являются возобновляемыми, однако известны примеры, когда в результате перепромысла некоторые их виды исчезли с лица Земли.

Закон обратимости биосферы. Биосфера стремиться к восстановлению экологического равновесия, тем сильнее, чем больше давление на нее. это стремление продолжается до достижения экосистемами климаксовых фаз развития (Климакс – относительно стабильное состояние биоценоза, экосистемы).

Для сохранения структуры биосферы живое стремится к достижению экологического равновесия. При выводе системы из состояния равновесия (наиболее устойчивого, согласно принципу Ле Шателье-Брауна), она будет стремиться вернуться к нему. Фактически это принцип Ле Шателье-Брауна, конкретизированный для экосистем.

 

Закон внутреннего динамического равновесия. Вещество, энер­гия, информация, динамические качества отдельных природных систем и их иерархии взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие функционально-структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств систем, где эти изменения происходят, или в их иерархии.

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

 

Действие данного закона четко связано с однонаправленностью по­тока энергии. Именно ограниченность этого потока и специфические свойства формируют всю массу связей в экосистеме в их разнообразии. Именно поэтому и соблюдается экологический аналог законов сохранения массы и энергии. Справедливость закона внутреннего динамического рав­новесия доказывается всей практикой ведения хозяйства и особенно ха­рактером региональных экологических катастроф типа приаральской, азовской, волжско-каспийской и других. Этот закон - одна из основных путеводных нитей в управлении природопользованием.

Из закона внутреннего динамического равновесия вытекает ряд следствий, важных с практической точки зрения:

· любое изменение среды (вещества, энергии, информации, динамических качеств экосистем) неизбежно приводит к развитию природных
цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изме­нения или формирования новых природных систем, образование которых при значительных изменениях среды может принять необратимый характер;

· взаимодействие вещественно-энергетических экологических ком­понентов (энергия, газы, жидкости, субстраты, организмы-продуценты, консументы и редуценты), информации и динамических качеств природных систем количественно нелинейно, то есть слабое воздействие или изменение одного из показателей может вызвать сильные отклонения в других (и во всей системе в целом). Например, малое отклонение в составе газоватмосферы, ее загрязнение окислами серы и азота, вызывает огромные изменения в экосистемах суши и водной среды. Именно оно привело квозникновению кислотных осадков, а с ними пришла деградация и гибель лесов в Европе и Северной Америке, гибель рыбы в озерах Скандинавиии другим негативным последствиям;

· происходящие в крупных экосистемах изменения относительно необратимы. Проходя по иерархии снизу вверх, от места воздействия до биосферы в целом, они меняют направление глобальных процессов и тем самым переводят их на новый эволюционный уровень;

· любое местное преобразование природы вызывает ответные реакции в глобальной биосфере и ее крупнейших подразделениях, приводящих к относительной устойчивости эколого-экономического потенциала, увеличение которого возможно лишь путем значительного возрастания энергетических вложений.

· Пока изменения среды слабы и затрачивают относительно небольшую площадь, они «гаснут» в цепи иерархии экосистем. Но как только перемены достигают существенных значений для крупных экосистем, (например, происходят в масштабах больших речных бассейнов) они приводят к существенным сдвигам в этих природных образованиях, и согласно 2-му следствию из обсуждаемого закона - во всей биосфере.

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

 

Изменения в природе, будучи относительно необратимыми (3-е вышеприведенное следствии), в конечном итоге оказываются и трудно нейтрализуемыми с социально-экономической точки зрения. Их выправление требуетслишком больших материальных средств и физических усилий. Иногдадаже возникает парадоксальная ситуация: «чем больше пустынь мы превратим в сады, тем больше цветущих садов мы превратим в пустыни». При этом в силу нелинейности процессов (следствие 2) скорость опустынивания значительно превышает темпы создания «цветущих садов».

Сдвигая равновесие природных систем с помощью значительных вложений энергии (например, путем распашки, внесения удобрений и т.д.) человек увеличивает количество полезной продукции (урожай). Пока эти сдвиги «гаснут» в иерархии природных систем, положение может счи­таться нормальным. Однако излишнее вложение энергии и возникающий в результате вещественно-энергетический разлад ведут к снижению природно-ресурсного потенциала вплоть до опустынивания территории, происходящей без компенсации: вместо цветущих садов возникают пустыни.

В связи с нелинейностью, неполной пропорциональностью взаимо­отношения компонентов и возникновением цепных природных реакций ожидаемый при преобразовании природы эффект может не возникнуть или оказаться многократно сильнее, чем желаемый. В первом случае местная реакция как бы «растворяется» в иерархии природных систем, во втором случае, наоборот, надсистемы усиливают процесс «сверху вниз», он делается острее, заметнее. Это заставляет при проектировании природопользования рассматривать не только местные вещественно-энергетические балансы, но учитывать вероятные изменения в надсистемах.

Игнорирование закона внутреннего динамического равновесия приводит к серьезным ошибкам в природопользовании.

Закон незаменимости биосферы. Биосфера представляет собой единственную систему, обеспечивающую устойчивость среды оби­тания. Существование человечества возможно только в системе биосферы.

Закон ограниченности природных ресурсов. Все природные pecуpсы и условия Земли конечны. Эта конечность возникает либо в силу прямой исчерпаемости, либо в результате возмущения среды обитания, делающейся непригодной для сложившегося хозяйства в жизни человека.

Закон «шагреневой кожи». глобальный природно-ресурсный потенциал в ходе исторического развития непрерывно истощается, что требует от человечества научно-технического совершенствования, направленного на более глубокое и эффективное использование этого потенциала.

 

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

 

Человечество в отличие от любого другого вида живых организмов живет не только за счет возобновляемых ресурсов, но и тратит абсолютно невос-станавливаемый запас. Скорость сжимания природной «шагреневой кожи» (ресурсного потенциала) напрямую зависит от числа людей, её «проедающих». При этом, как правило, только по мере истощения ресурса осознается его ценность и разрабатываются меры по его эффективному использованию.

Закон убывающей отдачи. повышение удельного вложения в агроэкосистемы не дает адекватного пропорционального увеличения ее продуктивности.

Например, среднее соотношение вложения энергии в производство и энергия урожая в сельском хозяйстве США в1910 г. составляло 1:1, а с 1970-х гг. оно подошло к 10:1. Это явление связано с заменой ручного труда механическим и техническим, а естественного плодородия почв - искус­ственным. Кроме того, увеличение урожаев требует сдвига в соотношении экологических компонентов (подавления консументов и активизации про­дуцентов в экосистеме), что дается только значительным вложением энергии.

Закон обеднения разнородного вещества в островных его сгущениях. Индивидуальная система, работающая в среде с уровнем организации, более низким, чем уровень самой системы, обречена, так как постепенно теряя свою структуру, система через некоторое время растворяется в окружающей среде. Это положение, сформулированное Г.Ф. Хильми, называется законом обеднения разнородного живого вещества в островных его сгущениях.

Из этого закона следует, что любые сложные биотические сообщества, сохраненные на незначительных пространствах, обречены на постоянную деградацию. В практике природопользования закон обеднения разно­родного живого вещества в островных его сгущениях диктует необ­ходимость создания буферных зон, то есть участков земли, в пределах которых запрещаются любые действия, способные нарушить в ней установившиеся природные режимы. Буферные зоны создаются как при ведении интенсивного хозяйства, так и при создании заповедников, долгосрочных заказников и других охраняемых территорий для обеспечения высокой надежности их функционирования. В целом закон дает ключ для разработки целенаправленной стратегии управления живой природой без ее количественного и качественного обеднения.

Закон неустранимости отходов и/или побочных воздействий производства. в любом хозяйственном цикле образующиеся отходы и возникающие побочные эффекты неустранимы, они могут быть лишь переведены из одной формы в другую или перемещены в пространстве.

Даже экологические системы в ходе функционирования образуют отходы, что наглядно иллюстрируется накоплением биогенных геологических пород. Собственно, вся стратосфера планеты пронизана «отходами» биотических

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

 

процессов. Последние замкнуты лишь частично, иногда в иной, но не в абсолютной степени. В случае же хозяйственной деятельности реальная возможность избавиться от отходов и побочных воздействий отсутствует, так как это было бы нарушением законов сохранения массы и энергии. Суммарное количество отходов в виде вещества, и побочных эффектов фактически постоянно: в производственных циклах меняется лишь место их возникновения, время образования и их форма. Например, считается, что электротранспорт более экологически безопасный по сравнению с транспортом, работающем на бензине. При этом обычно игнорируется, что перевод транспорта на электротягу требует электроэнергии, а потому - добычи первичного энергоносителя (угля, нефти, ядерного топлива и т.д.), строительства электростанции, электросетей и т.д. Этот "ряд" по количеству отходов не лучше и не хуже "ряда" получения и переработки нефти в бензин. И если в одном случаезагрязнители поступают в атмосферу из выхлопной трубы автомобиля, то в другом - из трубы теплоэлектростанции. Получение электроэнергии от солнечных батарей требует энергоемких и трудоемких производств и материалов для них. Таким образом, безотходное производство - это миф. Однако это не значит, что при разумном планировании производственного процесса невозможно получить экологический "выигрыш".

Закон «бумеранга» или закон обратной связи взаимодействия «человек-биосфера». между природой и человеком существует постоянная обратная связь. Любые изменения в хозяйственной деятельности вызывают перемены в природе, которые в свою очередь заставляют изменять хозяйственную деятельность. Ход исторических изменений связей между природой и человеком приводил к одновременным переменам в природе и в формах хозяйствования. Формы хозяйства менялись вследствие тех затруднений, которые вызывались переменами в природе. В свою очередь перемены в хозяйстве вызывали цепные реакции в природе. То есть, любое воздействие человека на природу, как бумеранг, возвращалось к нему обратно.

 

По Б.Коммонеру, «глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничего не может быть выиграно или потеряно и которое не может являться объектом всеобщего улучшения: все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возвращено. Платежа по этому векселю нельзя избежать, он может быть только отстрочен».

Закон соответствия между развитием производительных сил и природно-ресурсным потенциалом общественного прогресса. существует взаимная связь между природно-ресурсным потенциалом, производственными силами и производственными отношениями. Возникновение кризисных ситуаций при дисбалансе между выше названными составными частями этой

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

системы приводят к серьезным повреждениям, восстанавливающим равновесие. Эта динамика, в конечном счете служит внешней причиной общественного развития.

Если проследить историю развития человечества, то можно выделить несколько экологических кризисов, которые являлись толчками развития цивилизации. Так, 35-50 тыс. лет назад кризис обеднения ресурсов охоты и собирательства привел к биотехнической революции, а позднее – к сельскохозяйственной революции. Кризис примитивного поливного земледелия привел ко второй сельскохозяйственной революции – широкому освоению неполивных земель и т.д. Современный экологический кризис наряду с чертами всех предшествующих, оказался кризисом редуцентов, которые не в состоянии разлагать весь состав загрязнителей, производимых человечеством (особенно тех, что не имеют природных аналогов), а потому и организмов для их утилизации и превращения в исходные химические элементы нет. Кроме этого, для современного экологического кризиса характерна угроза нехватки минеральных ресурсов. Данный кризис должен породить научно-техническую революцию, которая заставит использовать новые альтернативные источники энергии, и они, вероятно, будут более экологически безопасными по сравнению с современными. По прогнозам, следующим экологическим кризисом может стать глобальный кризис надежности экологических систем, что породит революцию экологического планирования.

 

Из правила меры преобразования природных систем и закона внутреннего динамического равновесия и некоторых других законов следует ряд практических выводов:

• единица возобновляемого ресурса может быть получена лишь в
некоторый отрезок времени, определяемый скоростью функционирования системы. В течение этого отрезка нельзя переходить некоторые рубежи ограничений при его использовании;

 

• перешагнуть через фазу последовательного развития природной
системы с участием живого вещества, как правило, невозможно;

 

• проведение хозяйственных мероприятий рационально лишь в рамках некоторых оптимальных размеров, выход за которые в меньшую и большую стороны снижает их хозяйственную эффективность;

 

• преобразование природы (если оно не восстановительное) дает локальный или региональный выигрыш за счет ухудшения каких-либо показателей в пограничных (маргинальных) территориях или в биосфере в целом;

 

• хозяйственное воздействие затрагивает не только ту систему, на которую оно направлено, но и на подчиненные системы, которые, согласно принципу Ле

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

 

Шателье-Брауна, «стремятся» нивелировать производимые изменения. В связи с этим расходы на преобразование природы никогда не ограничиваются лишь затратами на непосредственно планируемые воздействия;

 

• вторичное, постепенно сложившееся экологическое равновесие, как правило, устойчивее, чем первичное, но «потенциальный запас преобразований» (т.е. будущих их возможностей) при этом сокращается;

 

• несоответствие «целей» естественно-системной регуляции в природе и целей хозяйства может приводить к деструкции природного образования (природная составляющая разрушается).

 

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ

Под мониторингом окружающей природной среды понимают долгосрочные наблюдения за состоянием окружающей природной среды, ее загрязнением и происходящими в ней природными явлениями, а также оценку и прогноз состояния природной среды и ее загрязнения (Закон РФ «О гидрометеорологической службе», 1998).

Понятие экологический мониторинг введено в 1972 году на Стокгольмской конференции. Определением изменений в экологическом балансе Земли занимается международный центр глобальной системы мониторинга ОС (ГСМОС). Он координирует мероприятия по мониторингу климата, воздуха, воды, почвы, ресурсов, биосферы, радиации и т. д.

В систему мониторинга входят следующие основные процедуры:

· выделение (определение) объекта наблюдения;

· обследование выделенного объекта наблюдения;

· составление информационной модели для объекта наблюдения, планирование наблюдений;

· оценка состояния объекта наблюдения и идентификация его информационной модели;

· прогнозирование изменения состояния объекта наблюдения, представление информации в удобной для использования форме и доведение ее до потребителя.

Цельюэкологического мониторинга является поиск критических звеньев в экосистемах, которые наиболее быстро и точно характеризуют их состояние, а также поиск показателей, соответствующих наиболее сильно воздействующим факторам и указывающих на источник такого воздействия.

 

Основные задачи экологического мониторинга:

· наблюдение за источником антропогенного воздействия;

· наблюдение за фактором антропогенного воздействия;

· наблюдение за состоянием природной среды под влиянием факторов антропогенного воздействия и оценка прогнозируемого состояния природной среды.

 

При разработке проекта экологического мониторинга необходима следующая информация:

· источник поступления загрязняющих веществ в окружающую среду;

· выбросы загрязняющих веществ в атмосферу промышленными, энергетическими, транспортными и другими объектами; сбросы сточных вод в водные объекты; поверхностные смывы загрязняющих и биогенных веществ открытые водные источники; попадание на земную поверхность или

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

в почвенный слой загрязняющих и биогенных веществ вместе с удобрениями и ядохимикатами при сельскохозяйственной деятельности; места захоронения и складирования промышленных и коммунальных отходов; техногенные аварии, приводящие к выбросу в атмосферу опасных веществ или разливу жидких загрязняющих веществ и т.д.;

· переносы загрязняющих веществ – процессы атмосферного переноса; процессы переноса и миграции в водной среде и т.д.;

· процессы ландшафтно-геохимического перераспределения загрязняющих веществ – миграция загрязняющих веществ по почвенному профилю до уровня грунтовых вод; миграция загрязняющих веществ по ландшафтно-геохимическому сопряжению с учетом геохимических барьеров и биохимических круговоротов ;

· данные о состоянии антропогенных источников эмиссии, мощность источника эмиссии и месторасположение его, гидродинамические условия поступления эмиссии в окружающую среду.

 

Классификация мониторинга

По объектам наблюденияразличают: атмосферный, воздушный, водный, почвенный, климатический мониторинг, мониторинг растительности, животного мира, здоровья населения и т. д. Существует классификация систем мониторинга по факторам, источникам и масштабам воздействия.

 

Мониторинг факторов воздействия - мониторинг различных химических загрязнителей (ингредиентный мониторинг) и разнообразных природных и физических факторов воздействия (электромагнитное излучение, солнечная радиация, шумовые вибрации).

 

Мониторинг источников загрязнений – мониторинг точечных стационарных источников (заводские трубы), точечных подвижных (транспорт), пространственных (города, поля с внесенными химическими веществами) источников.

 

По характеру обобщения информации различают следующие системы мониторинга:

· глобальный – слежение за общемировыми процессами и явлениями в биосфере Земли, включая все ее экологические компоненты, и предупреждение о возникающих экстремальных ситуациях;

· базовый (фоновый) – слежение за общебиосферными, в основном природными, явлениями без наложения на них региональных антропогенных влияний;

· национальный – мониторинг в масштабах страны;

· региональный – слежение за процессами и явлениями в пределах какого-то

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

региона, где эти процессы и явления могут отличаться по характеру и по антропогенным воздействиям от базового фона, характерного для всей биосферы;

· локальный - мониторинг воздействия конкретного антропогенного источника;

· импактный -мониторинг региональных и локальных антропогенных воздействий в особо опасных зонах и местах.

 

Классификация систем мониторинга может основываться и на методах наблюдения (мониторинг по физико-химическим и биологическим показателям, дистанционный мониторинг).

 

Химический мониторинг – система наблюдений за химическим составом (природного и антропогенного происхождения) атмосферы, осадков, поверхностных и подземных вод, вод океанов и морей, почв, донных отложений, растительности, животных и контроль за динамикой распространения химических загрязняющих веществ. Глобальной задачей химического мониторинга является определение фактического уровня загрязнения окружающей среды приоритетными высокотоксичными ингредиентами.

 

Физический мониторинг -система наблюдений за влиянием физических процессов и явлений на окружающую среду (наводнения, вулканическая деятельность, землетрясения, цунами, засухи, эрозии почв и т. д.).

 

Биологический мониторинг – осуществляется с помощью биоиндикаторов (т. е. организмов, особо чувствительных к изменениям в среде).

 

Экобиохимический мониторинг – базируется на оценке двух составляющих окружающей среды – химической и биологической.

 

Дистанционный мониторинг – в основном авиационный, космический мониторинг с применением летательных аппаратов, оснащенных радиометрической аппаратурой, способной осуществлять активное зондирование изучаемых объектов и регистрацию опытных данных.

Наиболее универсальным является комплексный экологический мониторинг окружающей среды.

Комплексный экологический мониторинг окружающей среды – это организация системы наблюдений за состоянием объектов окружающей природной среды для оценки их фактического уровня загрязнения и предупреждения о создающихся критических ситуациях, вредных для здоровья людей и других живых организмов. Различают мониторинг локальный, региональный и глобальный (фоновый).

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ

При проведении комплексного экологического мониторинга окружающей среды: - проводится постоянная оценка экологических условий среды обитания человека и биологических объектов (растений, животных, микроорганизмов и т. д.), а также оценка состояния и функциональной целостности экосистем;
- создаются условия для определения корректирующих действий в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются.

 

Основные цели комплексного экологического мониторинга состоят в том, чтобы на основании полученной информации:

1) оценить по показателям состояние и функционирование целостности экосистем и среды обитания человека (то есть провести оценку соблюдения экологических нормативов);

2) выявить причины изменения этих показателей и оценить последствия этих изменений, а также определить корректирующие меры в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются (то есть провести диагностику состояния экосистем и среды обитания);

3) создать предпосылки для определения мер по исправлению возникающих негативных ситуаций до того, как будет нанесен ущерб, то есть обеспечить заблаговременное предупреждение негативных ситуаций.

 

В РФ функционирует несколько систем мониторинга, например, служба наблюдения за загрязнением окружающей среды Росгидромета, служба мониторинга водных ресурсов Роскомводы, служба агрохимических наблюдений и мониторинга загрязнений сельскохозяйственных земель Роскомзема и др.