Деятельностью человеческого общества

На протяжении последних тысячелетий естественное развитие биогеохимических циклов массообмена испытывает растущее воздействие хозяйственной деятельности человеческого общества.

Появление первых этносов и цивилизаций сопровождалось началом изменений в структуре и динамике живого вещества в ареале распространения каждой цивилизации. Кочевые цивилизации оказывали сравнительно медленное воздействие на природные системы массообмена, но охватывали большие территории. Земледельческие цивилизации, наоборот, полностью изменяли природную систему массообмена, но на ограниченной площади (долины Нила, великих рек Восточной и Юго-Восточной Азии, междуречье Тигра и Евфрата). Если к результатам хозяйственной деятельности людей добавить так называемые непредвиденные последствия этой деятельности — эрозию почв, опустынивание, лесные пожары и др., то очевидно, что человеческое общество с момента его появления стало важным фактором изменения биосферы.

Вначале деятельность людей затрагивала живое вещество суши и биокосную систему почвы. Вырубая и сжигая леса, распахивая степи, заменяя природную растительность сельскохозяйственными культурами, люди вносили определенные изменения в биогеохимическую структуру экосистем суши. Глубокие преобразования в хозяйственной деятельности наметились в XIX в., когда начала бурно развиваться индустрия. В сферу промышленного производства стали вовлекаться в значительном количестве массы химических элементов, извлекаемые из земных недр. В настоящее время во всем мире ежегодно добывается более 100×10⁹т минеральных ископаемых, включая строительные материалы, балласт для дорог и др. Если это количество отнести ко всей Мировой суше, то окажется, что с 1 км² суши ежегодно извлекается около 700 т. Воздействие общественного производства распространяется не только на наружную часть земной коры, но также на природные воды ц атмосферу. На производственные и бытовые нужды расходуется примерно 4×10³ км³ воды в год, т.е. 10% объема речного стока. Из атмосферы извлекается молекулярный азот и переводится в реакционноспособные формы.

Одновременно в окружающую среду выбрасываются промышленными предприятиями сотни миллионов тонн газов и пыли, в поверхностные воды поступают десятки миллионов тонн бытовых, промышленных и сельскохозяйственных стоков.

Приведенные примеры показывают, что человеческое общество в процессе производственной деятельности выступает как мощный геохимический фактор, изменяющий и перераспределяющий миграцию огромных масс химических элементов. Производственная деятельность человечества оказывает важное влияние как на глобальные биогеохимические циклы, так и на биогеохимические процессы, совершающиеся на небольших территориях.

Начиная с середины XX в. для обеспечения индустриального производства некоторые химические элементы использовались в таком количестве, которое сопоставимо с массами, мигрирующими в глобальных биогеохимических циклах. Главная черта современной индустриальной технологии — низкая экономичность, обусловленная огромным количеством отходов. Обильные отходы не утилизируются в смежных производствах, а выбрасываются в окружающую среду. Массы загрязняющих отходов столь велики, что поражают воображение.

Проблемы загрязнения окружающей среды, остро обозначившиеся во второй половине XX в., волнуют широкие круги мировой общественности. По этому поводу высказано множество суждений — научно обоснованных, фантастических и явно спекулятивных. С позиций биогеохимии любые варианты решения рассматриваемой проблемы должны базироваться на изучении влияния техногенных масс на биогеохимические циклы массообмена разных рангов, благодаря которым существует система биосферы. Если техногенное воздействие нарушает функционирование глобальных циклов массообмена, изменяет направленность отдельных потоков миграции элементов, то несомненно возникает опасность для планетарного механизма, обеспечивающего существование биосферы. Если этого не происходит, то необходимо установить, для каких звеньев глобальных циклов и конкретных эко-геосистем такая опасность существует.

Глобальные биогеохимические проблемы.В зависимости от особенностей циклов массообмена загрязняющий компонент может распространяться на всю биосферу, на значительную территорию или иметь локальный характер. Одной из проблем, имеющих глобальное значение, является предполагаемое возрастание углекислого газа в атмосфере в связи с промышленным производством.

Основания для беспокойства имеются. С изобретением паровой машины в качестве топлива стал широко использоваться каменный уголь, с появлением двигателей внутреннего сгорания — нефть и ее производные. Сжигание угля быстро возрастало. В начале XIX в. угля добывали около 30×10⁶ т/год, в 1900 г. — 700×10⁶, в 1913 г. — 1340×10⁶, в 1951 — 1918×10⁶, а к 1970 г. добыча угля превысила 3000×10⁶ т/год. Эксплуатация нефти началась в 1856 г. В 1900 г. во всем мире добывали менее 30 млн т нефти, а в настоящее время из недр извлекается более 2×10⁹ т. К этому добавилась разработка залежей природного газа, которая также развивалась очень быстро. В 1937 г. было добыто 74×0⁹ м³ газа, а через 30 лет добыча возросла в 10 раз. Таким образом, использование природных соединений углерода происходит в столь значительном количестве, что это можно сравнить с крупным природным процессом. Все виды минерального топлива, сгорая, превращаются в углекислый газ. Возникает вопрос: какова его дальнейшая судьба?

По данным SKOPE (1979), концентрация СО₂ в атмосфере до 1850 г. была около 290×10^-4 % объема, через 100 лет — 313×10^-4 %, в 1978 г. — 330×10^-4 %. Предполагается, что в атмосферу путем сжигания минерального топлива до 1980 г. было выделено углерода в составе СО₂ около 140×10⁹ т. Наблюдения за концентрацией СО₂ показали, что его масса в атмосфере за последние годы возрастает на 2,2×10⁹ т/год. Суммарное поступление в атмосферу углерода в составе углекислого газа из индустриальных источников в настоящее время оценивается в 5×10⁹ т/год. Это количество примерно в 15 раз меньше, чем ассимиляция углерода при фотосинтезе растительности Мировой суши.

При сжигании дров, лесных пожарах в атмосферу выделяется еще 4,8×10⁹ т СО₂ в год, но половина этой массы вновь захватывается растительностью. Б. Болин и другие ученые предполагают, что содержание СО₂ в атмосфере будет ежегодно увеличиваться примерно на половину количества СО₂, образующегося при сжигании минерального топлива. Если его потребление будет по-прежнему возрастать на 4 % в год, то, по мнению ученых, концентрация СО₂ в атмосфере к началу 2010 г. превысит 380×10^-4 % объема.

Рост концентрации СО₂ сам по себе опасности не представляет, но повышение содержания молекул СО₂ может вызвать повышение температуры воздуха благодаря парниковому эффекту (см. разд. 3.1), что может иметь катастрофические последствия.

Метеорологи считают, что сейчас в Северном полушарии температура приземного слоя тропосферы на 0,4 °С выше, чем в 1950— 1980 гг. Предполагается, что к 2050 г. температура повысится на 3 — 4° С. Потепление климата должно отразиться на биосфере в целом, вызвать повышение почти на 0,5 м уровня Мирового океана за счет таяния 30×10⁶ км³ ледников и примерно такого же количества морских льдов. Затопление густонаселенных береговых территорий повлечет за собой сложные ситуации в экономике и организации мирового хозяйства. Теоретическая проблема раз-балансирования глобального цикла массообмена углерода приобретает экономические, социальные, а следовательно, и политические аспекты.

Проблема настолько серьезная, что Всемирная метеорологическая организация (ВМО) совместно с руководством Программы по окружающей среде ООН (ЮНЕП) начиная с 1976 г. провела серию международных совещаний. Международная научная общественность считает, что важной общемировой задачей является уменьшение выбросов СО₂ в атмосферу. На конференции в Торонто (1988) было внесено предложение о сокращении выбросов СО₂ на 20 % к 2005 г., на конференции в Гамбурге (1989) обосновывалась необходимость сокращения выбросов на 30 %. ВМО и ЮНЕП учредили в 1988 г. специальный межправительственный совет по этой проблеме, в который вошли представители более 40 государств.

Следует заметить, что опасения по поводу климатических последствий повышения концентрации СО₂ в атмосфере заслонили другую, на наш взгляд, не менее важную проблему. Сжигание огромных масс каменных углей, нефти и газа сопровождается расходованием еще больших масс кислорода. В разд. 7.1, 7.2 показано, что свободный кислород накопился в атмосфере только благодаря захоронению органического углерода, в том числе того, из которого состоят каменные угли и газ. Усиленное сжигание минерального топлива, несомненно, способствует связыванию огромного количества кислорода в СО₂. Если во всем мире сжигается в составе минерального топлива 5×10⁹ т углерода, то на это расходуется более 13×10⁹ т кислорода. Сравним эту цифру с массами кислорода, участвующими в биологическом круговороте на Мировой суше, — около 230×10⁹ т. Создается впечатление, что количество кислорода, расходуемого на сжигание минерального топлива, совсем незначительно по сравнению с тем, сколько кислорода выделяет растительность суши. Однако надо иметь в виду, что основная часть выделяющегося при фотосинтезе кислорода должна быть израсходована на разложение отмерших органов растений (продуктов спада). По расчетам О.П.Добродеева, за счет отмершего, но не разложенного до СО₂ органического вещества в атмосфере ежегодно остается около 1,55×10⁹ т кислорода. Эта масса в 10 раз меньше количества кислорода, которое каждый год расходуется на сжигание минерального топлива.

Кроме того, кислород расходуется на окисление металлов, главным образом железа, которое люди добывают и выплавляют. Насколько велик расход кислорода на эти процессы, свидетельствуют следующие данные. Ежегодно во всем мире выплавляется около (700 — 800) ×10⁶ т стали. В то же время окисляется, ржавеет примерно 10 % этого количества, на что расходуется около 340×10⁶ т кислорода. Наконец, кислород расходуется на окисление различных газов, которые продолжают выделяться из земных недр. Это количество кислорода пока не определено.

Биосфера в целом пока справляется с окислением продуктов индустриальной деятельности человечества, но поглощение кислорода достигло такого уровня, что за глобальным биогеохимическим циклом массообмена кислорода необходим внимательный контроль.

При оценке последствий сжигания возрастающих масс каменного угля необходимо обратить внимание еще на один аспект этой проблемы. Как известно, каменный уголь является продуктом глубокой трансформации органического вещества растительного происхождения. В разд. 7.1 показано, что в процессе фотосинтеза предпочтительнее поглощаются легкие изотопы углерода. Сжигание угля и поступление в атмосферу СО₂, обогащенного легким изотопом ^|2С, должно отражаться на изотопном составе растений и всего живого вещества Земли. Результаты многочисленных анализов годовых колец стволов деревьев разного возраста, обобщенные американским биогеохимиком Б. Болином (1985), наглядно показывают, что по мере развития индустриальной деятельности растительность обогащается легким изотопом углерода (рис. 16.1). Каковы последствия этого явления — покажет будущее.

Рис. 16 1. Изменение изотопного состава углерода древесины на протяжении

индустриального периода истории человечества (по Б Болину, 1986)

Прогрессирующее возрастание масс химических элементов, вовлекаемых в миграционные потоки, вызванные хозяйственной деятельностью людей, достигло такого уровня, когда не только нарушается стационарность природных миграционных циклов в отдельных территориальных биогеосистемах, но и вносится дисбаланс во всю глобальную систему циклического массообмена, которая поддерживает существование биосферы. Вполне естественно, что возникла идея организации межгосударственной координации хозяйственной деятельности. Рассмотрению этой идеи была посвящена Международная конференция по охране окружающей среды и развитию в Рио-де-Жанейро (1992). На конференции была принята концепция «поддерживающего развития», призывающая государства отказаться от неограниченного и бесконтрольного использования природных ресурсов и загрязнения биосферы. Конференция была весьма представительна и проходила на уровне глав государств и правительств. Несмотря на историческую значимость первой конференции такого рода, из-за отсутствия научного обоснования подходов к рассмотрению этой важной идеи в итоговом документе содержались лишь общие положения. Никаких существенных достижений на пути организации научно обоснованной координации производственной деятельности государств с целью поддержания биосферы не было достигнуто и на XIX специальной сессии Генеральной Ассамблеи ООН (1997), посвященной анализу деятельности государств по поддержанию биосферы.

Вместе с тем, отдельные частные проблемы успешно решались после тщательного изучения порождающих их причин и последствий. Примером может служить опыт предотвращения и нейтрализации локального загрязнения тяжелыми металлами, проявления которого рассматриваются ниже.

Региональные биогеохимические проблемы.Значительный дисбаланс в природные циклы массообмена, охватывающие экогео-системы крупных регионов, вносят отходы промышленных предприятий и транспорта. Более 95 % техногенных выбросов соединений серы представлено SO₂. Это химически агрессивное соединение. Главная эмиссия SO₂ происходит при сжигании каменных углей, содержащих сульфиды железа, и нефти, в которой постоянно присутствуют серосодержащие органические соединения. Значительные массы SO₂ выделяются в атмосферу при выплавке металлов. В 1986 г. было выброшено в атмосферу (10⁶ т) в США: СО₂ - 18,4; SO₄ - 20,3; в СССР: СО₂ - 15,4; SO₄ - 18,8. Выбросы SO₄ в Восточной Европе составили (10⁶ т): в 1980 г. — 27,8; в 1985 г. — 26,9; в 1990 г. — 24,3 (Ровинский Ф.Я., 1988). Общемировая масса техногенных выбросов серы по состоянию на 1990 г. оценивается в (100-110) • 10⁶ т/год.

Оксиды серы, осаждаясь с атмосферными осадками, поражают растительность (рис. 16.2), губят почвенную биоту, вызывают заболевания населения. Рыжие от действия сернокислотных дождей хвойные леса склонов горных массивов являются печальной достопримечательностью природы некоторых стран Восточной Европы.

Рис. 16.2. Типичные симптомы поражения растений диоксидом серы:

а — листья березы, дуба скального, бука лесного; б — листья георгина и явора; в — листья клевера, люцерны и рапса

Техногенные оксиды серы распределяются неравномерно и поражают отдельные районы. Экологическая проблема сернокислотных дождей усугубляется трансграничным переносом воздушных масс, содержащих оксиды серы. Известны случаи ущерба, нанесенного выпадением «кислых дождей», принесенных на территорию стран Скандинавского полуострова из индустриальных районов Германии.

Сильное изменение природных биогеохимических циклов некоторых химических элементов происходит под влиянием сельскохозяйственного производства. Суммарная площадь почв, в настоящее время находящихся в сфере земледелия, — около 15×10⁶ км², т.е. около 10 % от площади всей суши. Площади обрабатываемых почв в разных биоклиматических зонах и на разных континентах сильно различаются. Согласно имеющимся данным земледельческое использование почв Мировой суши выглядит следующим образом (% от площади части света):

Части света Процент

площади

Европа (без стран бывш. СССР)......................................30,8

Азия (без стран бывш. СССР)..........................................20,2

Северная и Южная Америка........................................... 3,5

Африка............................................................................... 14,4

Австралия и Океания........................................................ 4,1

На площади активного земледелия трансформирована вся структура биологического круговорота. Природная растительность, находившаяся в биогеохимическом равновесии с окружающей средой, заменена сельскохозяйственными культурами, которые могут существовать в условиях данных экогеосистем лишь благодаря человеку. Продукция полностью не возвращается в почву, а частично удаляется в виде урожая. В систему биологического круговорота искусственно вводятся значительные массы азота, калия, фосфора, а также дополнительные количества воды. Вместе с тем механическое нарушение почвы активизирует процессы эрозии и выноса химических элементов за пределы обрабатываемых площадей.

По данным В. А. Ковды (1973), при мировом производстве зерновых культур, равном 1,2×10⁹ т/год, одновременно с урожаем в биологический круговорот вовлекается 48×10⁶т азота, 36×10⁶т калия и 12×0⁶т Р₂О₅. С учетом всей другой сельскохозяйственной продукции эти массы еще больше. Вынос азота с общемировым урожаем в 1970— 1971 гг. составил 106×10⁶ т, в 2000 г. около 200×10⁶ т.

Изменения структуры биологического круговорота на обширной территории иллюстрируют данные Т.И.Евдокимовой и др. (1976) для лесной зоны европейской части России, территория которой занимает площадь 2,42×10⁶ км². В доисторические времена леса покрывали всю площадь, в настоящее время они сохранились лишь на 1,5 млн км²; 0,3 млн км² занято пашней; 0,38 млн км² — лугами и пастбищами; 0,24 млн км² — городами, поселками, транспортными магистралями, реками и озерами. В результате резко сократилась величина фитомассы и связанных в ней химических элементов. Благодаря внесению удобрений сельскохозяйственные культуры вовлекают в биологическую миграцию значительно больше азота, фосфора и калия, чем естественная лесная растительность. Но значительная часть масс элементов искусственно удаляется. Со всей площади зоны ежегодно вывозится в составе урожая и лесоматериалов 11 млн т азота, 1,1 млн т фосфора, 4,5 млн т калия, 5,3 млн т кальция. Вырубка леса и распашка почв способствовали усилению водной миграции. С водным стоком выносится значительно больше кальция, чем его поступает с удобрениями и при известковании почв. Изменение миграции химических элементов на территории европейской части России на протяжении исторического времени показано в табл. 16.1.

Таблица 16.1