Антропогенные воздействия на потоки энергии и круговороты веществ

Всеми отраслями человеческого хозяйства ежедневно добывается почти 300 млн. тонн веществ и материалов, сжигается около 30 млн т топлива, используется 2 млрд м³ воды и 65 млрд м³ кислорода. Все это сопровождается расходованием природных ресурсов и массированные загрязнением среды. Сравнение антропогенных материальных потоков с параметрами биосферного круговорота показывает, что человеческая деятельность определяет существенную долю биогеохимической динамики вещества на планете. Общее потребление пресной воды человечеством достигло 2% объема влаги, вводимой в биосферный круговорот транспирацией всех растений суши. Антропогенный обмен газов в атмосфере составляет 15--18% всего биотического газообмена. Уровень использования продукции биомассы достиг 10%. Т.А. Акимова, В.В. Хаскин (1994) приводят данные о том, что человечество в результате своей жизнедеятельности возвращает в атмосферу 1,5 Г выдыхаемых углекислого газа и паров. При этом выделяется 18 ЭДж теплоты. На поверхность земли и в водоемы переходит 3,9 Г жидких и 0,7 Г твердых отходов (экскрементов людей и бытового мусора). Разница между приходом и расходом, близкая к 100 млн т в год, указывает на рост численности, массы человечества и массы предметов и материалов индивидуального потребления.

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

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

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

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

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

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

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

В одних случаях влияние хозяйственной деятельности человека на круговорот воды, или природный гидрологический цикл, может быть целенаправленным, в других -- случайным, непредусмотренным.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Техногенный круговорот веществ и его отличия

Из 120 Гт ископаемых материалов и биомассы, мобилизуемых за год мировой экономикой, только 9 Гт (7,5 %) преобразуется в процессе производства в материальную продукцию. Более 80 % этого количества возвращается в основные фонды производства. Только 1,6 Гт составляют личное потребление людей, причем 2/3 этой массы относится к нетто-потреблению продуктов питания.

Из окружающей среды все люди потребляют 3,6 Гт питьевой воды и 1,2 Гт кислорода. В атмосферу возвращается 1,6 Гт выдыхаемых углекислого газа и паров воды; при этом выделяется 18 ЭДж теплоты. В водоемы и на поверхность Земли поступает 4 Гт жидких и 0,8 Гт твердых отходов. Материальный нетто-баланс человечества как биологического вида (без современного общественного производства) необычайно велик и во много раз превосходит материальный бюджет любого другого вида животных, но в целом почти вписывается в глобальный биотический круговорот и создает лишь часть современных экологических проблем. Надо помнить также, что человек контролирует большую массу растений и животных многих видов, которые вне человеческого хозяйства либо вообще не могли бы существовать, либо вносили бы незначительный вклад в экосферный обмен веществ. Наиболее серьезные проблемы связаны с потреблением биоресурсов, энергетикой и промышленным производством.

Техногенный материальный круговорот принципиально отличается от биотического круговорота, прежде всего высокой степенью разомкнутости. Поэтому его правильнее было бы называть не круговоротом, а ресурсным циклом. Можно сказать, что такой колоссальный механизм создан для обеспечения нетто-потребления людей ничтожной долей веществ и материалов, участвующих в цикле. По существу, речь идет всего лишь о 400 млн. т в год товаров сверх потребления продуктов питания, воды и воздуха, или о 63 кг в год на одного жителя Земли. Коэффициент полезного действия всей этой грандиозной системы чрезвычайно низок: 0,003.

Другими словами, материальная эффективность современной индустриальной цивилизации близка к нулю.

Почему-то теоретики, озабоченные эффективностью макроэкономики, не обращают внимания на этот фундаментальный факт.

Ежегодное изъятие около 10 Гт сухого вещества биомассы в виде сельхозпродукции, древесины и морепродуктов составляет почти 5 % продукции фотосинтеза на суше. Но кроме этого за счет антропогенного уменьшения биомассы и продуктивности естественных экосистем, замещения их агроценозами, вырубки лесов, опустынивания, техногенной деградации и т.п. человек косвенно переводит в антропогенный канал еще 7--10 % первичной продукции экосистем суши, в целом снижая продуктивность земной биосферы примерно на 10--12 %. Именно это расценивается как основное вмешательство человека в природные процессы.

Общая масса отходов современного человеческого хозяйства и продуктов техносферы (за исключением простых газообразных веществ, участвующих в обмене кислорода, азота и паров воды) составляет не менее 140 Гт в год. Это количество распределяется между водоемами, воздухом и поверхностью земли приблизительно в соотношении 1 : 2 : 6.

Сжигание 10 Гт ископаемого топлива, сжигание и биологическое окисление (в том числе в организме людей) более 6 Гт изымаемой растительной биомассы и другие производственные окислительные процессы отнесены в балансе к массообмену в атмосфере. Они сопряжены с потреблением 30--31 Гт кислорода и возвращением в атмосферу 35--37 Гт углекислого газа и других окислов, а также паров воды (не считая техногенного испарения свободной воды). Вместе с ними в воздух попадают многочисленные загрязнители атмосферы, выделяющиеся при производственных процессах и работе транспорта.

Все отрасли техносферы потребляют огромное количество воды -- около 5000 км³/год. Оно соответствует почти 1/5 объема влаги, вводимой в планетарный круговорот транспирацией всех растений суши. Скорость оборота воды в техносфере во много раз больше, чем в биосфере.

С учетом потребляемого воздуха и добываемого природного газа техносферный газообмен составляет более 150 тыс. км3/год, что превышает 1/4 биосферного газообмена. Почти такое же соотношение существует между выделением техногенной теплоты и годовым протоком энергии фотосинтеза. Таким образом, к концу ХХ столетия человечество на 20--25 % увеличило обмен веществ и энергии на планете.

Наиболее серьезно вмешательство техногенеза в биосферный обмен органических веществ. По закону распределения деструкции вновь образованного органического вещества между разными группами гетеротрофных организмов для крупных консументов допустимо изъятие не более 1% ежегодной продукции биосферы ("правило одного процента"). Таким образом, человек, ставший самым мощным в природе конечным консументом, во много раз, почти на порядок, превысил естественный норматив.

Существенным отличием техногенного массообмена от биотического круговорота является то, что техносферный круговорот веществ существенно разомкнут и в количественном, и в качественном отношении.

Поскольку техногенный массообмен составляет заметную часть глобального круговорота веществ, своей разомкнутостью он нарушает необходимую высокую степень замкнутости биотического круговорота, которая выработана в длительной эволюции и является важнейшим условием стационарного состояния биосферы. Это означает весьма серьезное нарушение биосферного равновесия.

Органические посторонние вещества обычно взаимодействуют с организмом по одному из процессов: первый -- разложение органического вещества до неорганических продуктов или низкомолекулярных органических фрагментов, способных участвовать в природных циклах углерода с выделением углерода и энергии и обеспечением роста; или второму, заключающемуся в превращении микроорганизмами большинства химических соединений без выделения углерода и энергии, что не обеспечивает роста биомассы. Образованные из ксенобиотических веществ продукты являются химическими веществами, посторонними для ОС, т.е. антропогенными веществами. Специфические ферменты некоторых микроорганизмов, полученных в результате мутаций и селекции, способны воздействовать на посторонние вещества. Первичными реакциями превращения являются: окисление, восстановление и гидролиз, а вторичными -- превращение посторонних веществ в вещества, входящие в состав организма, или их встраивание в макромолекулы природных органических веществ.

У наземных высших растений установлено обогащение за счет химических веществ, содержащихся в почве в зависимости от вида растения и вещества. Пути усвоения химических веществ растениями весьма многообразны (корневой системой с выносом в наземную часть сокодвижением; летучих химических веществ его листьями; из частиц почвы или пыли, попавших на листья), а также зависят от свойств среды.

Материальный нетто-баланс человечества как биологического сообщества, за исключением твердого бытового мусора, вполне вписывается в глобальный биотический круговорот. В расчете на одного городского жителя образуется 150--350 кг бытового мусора в год, который в большинстве случаев не перерабатывается, а вывозится на свалки, занимающие огромные территории вокруг городов, и становится опасным загрязнителем воздуха, воды и почв. В стране работает только 7 мусоросжигательных и 2 мусороперерабатывающих заводов.

Серьезные проблемы, как ресурсного, так и экологического характера, связаны с энергетикой технической и производством промышленным, включая сельскохозяйственные промышленные технологии. Для них крайне важной является правильная утилизация промышленных отходов. Ведь за год образуется более 100 млрд тонн жидких и твердых отходов добывающей и перерабатывающей промышленности; из них около 15% со стоками попадает в водоемы, остальное количество добавляется к отвалам "пустой" породы, свалкам и другим хранилищам и захоронениям промотходов.

Общая масса извлекаемых из недр и перемещаемых на поверхности земли материалов уже превышает средний объем вулканической деятельности (всего в мире насчитывается 609 вулканов, относимых к действующим; в XX в. произошло более 1380 извержений, во время которых в атмосферу выброшено более 57 км3 пепла, содержащего свинец, кадмий, медь, цинк, серебро, мышьяк).

В отличие от нетто-потребления людей количественные характеристики хозяйственного цикла антропогенного массообмена резко различаются в разных странах и регионах мира. Кратность превышения производственного потребления вещества над нетго-потреблением людей колеблется от нескольких единиц в экономически наиболее отсталых районах, где сохраняются элементы доиндустриального хозяйства, до 300 в странах с развитой индустрией. Соответственно различаются и потоки изъятия местных природных ресурсов и техногенного загрязнения среды. Наиболее разительным отличием массообмена антропогенного от круговорота биотического является его незамкнутость в качественном и в количественном отношении.

Только часть отходов производства может быть уничтожена биотой или нейтрализована в ходе биогеохимической миграции веществ. Темпы возобновления при этом, а также нейтрализации и утилизации конкретно отстают от темпов загрязнения среды и изъятия ресурсов. Продукция природных биоценозов дает людям дрова и строительный материал, целлюлозу и каучук, пищу и лекарства. Но основу технической энергетики и производства составляет преобразованная в недрах продукция прошлых биосфер -- уголь, нефть и газ. Сейчас за одни сутки человечество использует столько этой продукции, сколько ее образовалось за 300--350 лет.

Загрязняющие вещества, образующиеся в процессе хозяйственной деятельности человека, попадают в окружающую среду, где ведут себя по-разному, то есть в зависимости от своей миграционной способности и природных условий, в которые они попадают. При этом большую роль в распределении загрязняющих веществ играют геохимические барьеры, или активные поверхности, которыми являются границы раздела геосфер, а также почва, уровень грунтовых вод и др.

Поток вещества испытывает на геохимических барьерах резкие изменения в связи с резкой сменой основных физико-химических и термодинамических условий: окислительно-восстановительных, кислотно-щелочных, фильтрационно-сорбционных, биохимических, а также изменения температуры и давления. В результате этого многие вещества теряют свою подвижность, переходят в инертные нерастворимые формы и аккумулируются. При этом может происходить загрязнение среды в зоне геохимического барьера, зато транзитный поток вещества в значительной степени очищается.

В миграции этих веществ большую регулирующую роль играет растительность. При этом растения с одной стороны концентрируют, а с другой - рассеивают некоторые химические элементы через воздушную среду, транспирируя их вместе с влагой. Например, по данным Ж. Детри (1973 г) может происходить выброс растениями тяжелых металлов в воздух. Обе функции растений важны для управления техногенным потоком вещества, однако вторая изучена пока недостаточно. Растения можно подбирать в зависимости от того, какие загрязнения необходимо локализовать или рассеять.

Использованная литература