Следовательно, предметом экологии являются системы надорганизмемного уровня - популяционные, экологи­ческие и биосфера

050(01)-99

Б. П. Усанов, Л. И. Жукова Э 40

ЭКОЛОГИЯ: Учебник для технических вузов / Л. И. Цветкова, М. И. Алек­сеев и др.; Под ред. Л. И. Цветковой. - М.: Изд-во АСВ, СПб.: Химиздат, 2001. - 552 с: ил. - ISBN 5 - 93093 - 096 - 1

Второе, дополненное и переработанное, издание первого российского учебника по экологии для студентов высших учебных заведений технических направлений и специальностей, лауреат конкурса Госкомвуза России 1998 г. по созданий учебников нового поколения. Содержит сведения об истории становления экологии как самостоятельной науки; о предмете экологии -экосистемах; о месте и роли Человека в биосфере; об экологических прин­ципах, экономике и нормативно-правовой основе рационального природополь­зования; о глобальных моделях будущего развития и стратегии взаимодействия общества и природы; о принципах международного сотрудничества.

Составлен в соответствии с Госстандартом дисциплины «Экология» (ЕНФ-05) и на основе примерной программы, рекомендованной Главным управлением образовательно-профессиональных программ и технологий Гос­комвуза РФ (550 000 - технические науки).

Предназначен для студентов и преподавателей вузов технических на­правлений и специальностей, а также для широкого круга руководящих, научных и практических работников.

Табл. 31. Ил. 147. Библиогр.: 89 назв.

„ 20010500000

Э----------------------------- Без объявл. ББК 57.026

ISBN 5 - 93093 - 096 - 1 © Л. И. Цветкова, М. И. Алексеев,

Ф. В. Кармазинов, Е. В. Неверова-Дзиопак, Б. П. Усанов, Л. И. Жукова, 2001 © А. П. Малиновская, художник, 2001 © О. Л. Малиновская, дизайнер, 2001

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ко второму изданию................................................. 6

Введение...................................................................................... 13

Часть I. Основы общей экологии

Глава 1. История экологии

1.1. Зарождение основ экологии.................................... 18

1.2. Появление науки экологии....................................... 24

1.3. Современная экология............................................ 28

Контрольные вопросы...................................................... 35

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

2.1. Предмет экологии.................................................... 38

2.2. Свойства и функции экосистем................................ 46

2.3. Саморегуляция и стабильность экосистем.............. 56

2.4. Экологические сукцессии........................................ 64

2.5. Примеры экосистем................................................. 71

Контрольные вопросы..................................................... 85

Глава 3. Энергия в экосистемах

3.1. Преобразование энергии в экосистемах.................. 88

3.2. Потоки энергии в пищевых цепях........................... 102

3.3. Использование энергии........................................ 116

Контрольные вопросы и упражнения............................. 128

Глава 4. Круговорот веществ

4.1. Глобальный круговорот веществ.......................... 132

4.2. Циклы газообразных веществ................................ 138

4.3. Осадочные циклы.................................................. 149

4.4. Возврат веществ в круговорот.............................. 159

Контрольные вопросы.................................................. 164

Глава 5. Экологические факторы

5.1. Среда обитания и условия существования............ 168

5.2. Экологическая пластичность................................ 182

5.3. Лимитирующие факторы........................................ 186

з

5.4. Взаимодействие и компенсация факторов............. 192

5.5. Антропогенные лимитирующие факторы.............. 196

Контрольные вопросы.................................................... 201

Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере

6.1. Биосфера - живая оболочка Земли....................... 204

6.2. Биосфера и космос............................................... 213

6.3. Живое вещество.................................................... 216

6.4. Эволюция биосферы............................................. 221

Контрольные вопросы.................................................... 229

Глава 7. Методы изучения экосистем

7.1. Натурные наблюдения, и эксперименты................. 232

7.2. Моделирование..................................................... 238

7.3. Схема системного исследования........................... 249

Контрольные вопросы................................................... 255

Часть II. Основы прикладной экологии

Глава 8. Глобальные экологические проблемы

8.1. Демографические проблемы................................. 258

8.2. Энергетические проблемы..................................... 272

8.3. Загрязнение воздуха.............................................. 288

8.4. Загрязнение воды.................................................. 304

8.5. Деградация наземных экосистем........................... 316

Контрольные вопросы................................................... 325

Глава 9. Окружающая среда и здоровье человека

9.1. Состояние биосферы и болезни............................ 328

9.2. Биологические факторы риска............................... 331

9.3. Химические факторы.............................................. 335

9.4. Физические факторы.............................................. 340

9.5. Добровольный риск............................................... 350

Контрольные вопросы.................................................. 359

Глава 10. Основы права и нормирование качества окружающей природной среды

10.1. Основы экологического права............................ 362

10.2. Гигиеническое нормирование.............................. 374

10.3. Экологическое нормирование............................. 388

10.4. Регламентация выбросов загрязнений

в окружающую среду.......................................... 400

Контрольные вопросы и упражнения............................. 411

Глава 11. Экологические принципы охраны природы

11.1. Мониторинг......................................................... 414

11.2. Экономические аспекты охраны природы........... 430

11.3. Инженерная защита окружающей среды............. 446

11.4. Принятие решений и управление......................... 468

11.5. Международное сотрудничество........................ 473

Контрольные вопросы................................................... 483

Глава 12. Стратегия взаимодействия общества и природы

12.1. Конфликт между обществом и природой............ 486

12.2. Концепции и глобальные модели будущего мира 491

12.3. Программа на XXI век.......................................... 500

Контрольные вопросы.................................................... 511

Заключение................................................................................ 512

Список использованной литературы........................................... 518

Основные термины и понятия..................................................... 523

Список аббревиатур................................................................... 545

Об авторах................................................................................. 548

About Authors.............................................................................. 550

Предисловие ко 2-му изданию

Авторы благодарны всем рецензентам и, в первую очередь, коллективу кафедры экологических основ природопользования Санкт-Петербургского государственного технического универ­ситета: зав. кафедрой д-ру техн. наук, проф. М. П. Федоро­ву, канд. биол. наук, доц. Н. Н. Ролле, канд. биол. наук, доц. М. Б. Шилину, д-ру биол. наук, проф. Э. И. Слепяну и др.

Чрезвычайно полезными были отзывы и замечания специа­листов, поступившие после выхода в свет первого издания учеб­ника: академика РАН К. Я. Кондратьева, д-ра техн. наук, проф. А. А. Музалевского, д-ра биол. наук, проф. Государ­ственной лесотехнической академии В. А. Соловьева, зав. ка­федрой промышленной экологии Московского государствен­ного индустриального университета проф. Е. А. Резчикова и др., которым авторы также очень признательны.

Рецензенты отметили, что дискуссионный характер некоторых положений вполне оправдан стремительным развитием науки экологии на современном этапе. Они обратили внимание на необходимость создания в будущем единой терминологии, кото­рая облегчала бы взаимопонимание специалистов естественно­научных и технических направлений.

Авторы считают необходимым подчеркнуть, что в издании учебника неоценимую помощь оказало ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», без поддержки которого ни первое, ни второе издание книги было бы невозможно. Кроме того, авторы благо­дарят сотрудников АО «Балтвод» и кафедры водоотведения и экологии СПб ГАСУ за помощь, оказанную при подготовке учебника к изданию.

Мы будем признательны читателям за отзывы, пожелания, критические замечания и полезные советы.

ВВЕДЕНИЕ

Во второй половине XX столетия слово экология стало модным. Любой исследователь или 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 вкладывает в это слово до такой степени различный смысл, что непосвященному человеку трудно определить, чем занимается экология и что это за наука?

Термин ЭКОЛОГИЯ (гр. oikos - дом, жилище, родина, logos - учение, наука)

ввел в 1 866 г. немецкий биолог Эрнст Геккель, который выделил в самостоятельную науку и назвал этим словом раздел биологии, изучающий совокупность взаимосвязей между живыми и неживыми компонентами природной среды.

Экология имеет общий корень со словом экономика, кото­рое буквально означает «искусство ведения домашнего хозяй­ства». К сожалению, экономика иногда вступает в противоречие с экологией. Стремясь к сиюминутным экономическим выгодам, человек невольно разрушает свой природный дом.

Среди различных материальных «домов», где живет человек, экология имеет дело с величайшим из них - биосферой.

Биосфера (гр. bids - жизнь, sphaira - поверхность шара) - ЭТО ЖИВОЯ

оболочка Земли, т. е. система живых организмов и среды, которая функционирует и развивается как единое целое. Орга­низмы не только приспосабливаются к среде обитания, но и приспосабливают среду к себе, образуя вместе сложную систе­му регуляции условий, обеспечивающих жизнь на планете. Именно организмы сыграли основную роль в формировании геохими­ческой среды Земли, благоприятной для их существования.

Из всех живых организмов человек более других пытается изменить природу, используя и приспосабливая ее к своим нуждам. С развитием науки и техники люди получают все более мощные

Введение

Введение

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 г.: «Человек уничтожил девственную природу. Он внес в нее 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».

В своей деятельности человек, как правило, не осознает, что нарушает закономерности протекания природных процессов, вызыва­ет нежелательные для себя изменения и не предвидит последствия.

До некоторых пор природные механизмы саморегуляции биосфе­ры компенсировали возмущающие антропогенные (гр. anthropos - чело­век, genos - происхождение) воздействия, однако, на современном этапе развития планеты 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 и средними сейсмическими толчками; аварии на атом­ных электростанциях; утечки ядовитых веществ на химических за­водах; потери вредных веществ при транспортировках и хранении и т. п. - все эти техногенные катастрофы, не говоря уже об угрозе ядерной войны, вполне сопоставимы с крупными природными катак­лизмами.

Разрушительная деятельность человека уже сейчас часто пре­вышает возможности биосферы компенсировать антропогенные воздействия и порождает конфликт между обществом и природой, создает проблемы, которые получили название экологических.

В последний, наиболее краткий период своей истории чело­вечество достигло такой численности и приобрело такую техно­генную мощь, что стало представлять потенциальную опасность для жизни на Земле. Экологический кризис - это не только угроза дикой природе и загрязнение. Кризис касается и самих людей и

ставит вопрос о том, что мы должны изменить в себе, чтобы выжить.

Эволюция природных процессов и явлений, в том числе и человека, в конечном счете вызвала озабоченность мирового сообщества судьбой биосферы, представляющей собой ныне нераздельное единство природных, техногенных и духовных эле­ментов. Поэтому угроза существованию земного дома связана с угрозой разрушения и дома духовного.

Изучение экологии отличается от изучения других дисциплин, например, химии, биологии, математики, гидравлики или эконо­мики. Почему? Потому, что это междисциплинарная наука, требу­ющая знания естественных (биология, геология, химия, физика, география и др.), технических (безотходые технологии, мате­риаловедение, энергетика и др.) и социальных (экономика, поли­тика, этика и др.) наук для понимания общих закономерностей природных, техногенных и социальных глобальных процессов и нашей роли в этом мире.

Решение экологических проблем требует огромной работы во всех областях науки и техники. И теоретическим фундамен­том всей природоохранной деятельности является наука эколо­гия. Только знание объективных законов развития природных, техногенных и социальных процессов позволит поладить с приро­дой и разрешить социальные конфликты. Природоохранные меро­приятия, не обоснованные научно, бесполезны, а иногда даже вредны, как в экологическом, так и в экономическом отношении, а их реализация создает лишь иллюзию защиты природы и здо­ровья человека.

Экологические проблемы являются общечеловеческими, так как биосфера не признает государственных границ. Общече­ловеческие проблемы порождают и общечеловеческие задачи. Сохранить жизнь на Земле - более важной задачи перед челове­чеством не стоит.

Фундаментальные естественнонаучные дисциплины в техничес­ких вузах традиционно были представлены лишь физико-математи-

Введение

ческими и химическими науками, такими как математика, физи­ка, химия, информатика, теоретическая механика и т. п. Теперь в цикл этих дисциплин введена экология, так как в современных условиях необходима ликвидация пробела в фундаментальном образовании с целью повышения экологической грамотности в контексте общечеловеческой культуры и цивилизации.

Новая дисциплина для студентов технических направлений и специальностей призвана:

- познакомить студентов с основами фундаментальной эко­логии;

- изменить природопотребительскую психологию людей;

- способствовать формированию экологического мировоззре­ния и представлений о человеке как части природы;

- научить видеть последствия влияния профессиональной дея­тельности на окружающую среду и здоровье человека;

- убедить в необходимости научно обосновывать природоох­ранные мероприятия;

- научить находить пути компромисса между экономическими и экологическими интересами людей;

- помочь осознать ценность всего живого и невозможность выжи­вания человечества без сохранения биосферы;

- попытаться научить переводить первозданные природные
богатства в категорию экономических ценностей.

Авторы не считают, что целью обучения является усвоение максимально большого объема информации. Полезнее научить­ся «просеивать» горы информации и различных точек зрения на события, чтобы найти правильные решения локальных, нацио­нальных и глобальных проблем. Авторы не претендуют на исклю­чительность предложенных ими концепций. Студенты могут не всегда соглашаться с тем, что излагается в учебнике, но они должны научиться обосновывать свою позицию.

часть I ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ

ГЛАВА 1

ИСТОРИЯ ЭКОЛОГИИ

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

2.1. Предмет Во второй главе этой книги дан ответ на воп- экологии рос, что является предметом науки экологии. Определить предмет экологии позволяет кон­цепция организации живой оболочки Земли - биосферы. Био­сфера состоит из биологических систем - биосистем разного уровня сложности и организации.

Биосистемы - это природные системы, в которых живые компоненты, называемые биотическими, упорядоченно взаимо­действуют с неживой физической средой, т. е. абиотическими компонентами, составляя с ними единое целое. Биосистемы связаны между собой иерархической структурой, образуя как бы «служебную лестницу жизни».

Согласно современным представлениям на «лестнице жизни» выделяют шесть ступенек, которые гипотетически могут быть продол­жены и вверх, и вниз (рис. 2.1).

Абиотические компоненты

Рис. 2.1. Иерархия уровней организации живой материи: 1 - генетические системы; 2 - клеточные системы; 3 - системы органов; 4 - системы организмов; 5 - па пуляционные системы; 6 - экологические системы (экосистемы)

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

По мере продвижения биосистем от низших ступенек к выс­шим уровень организации входящих в них биотических компо­нентов усложняется: гены, клетки, органы, организмы, популя­ции, сообщества. Абиотические компоненты на всех уровнях представлены веществами и энергией, которые формируют все факторы неживой физической среды.

Биотические и абиотические компоненты вместе образуют соответствующие биосистемы, расположенные снизу вверх в сле­дующем порядке: 1) генетические системы, 2) клеточные систе­мы, 3) системы органов, 4) системы организмов, 5) популяционные системы, 6) экологические системы, или экосистемы.

Деление иерархии на ступени условно, так как каждый уро­вень взаимосвязан с соседними уровнями в функциональном смысле. Например, гены не могут функционировать в природе вне клетки, клетки многоклеточных - вне органов, органы - вне организма и т. д. Иными словами, системы низших ступеней (подсистемы) интегрированы в системы высших ступеней (надсис-темы). Экосистема не жизнеспособна без взаимосвязи с популяционными системами и биосферой в целом. В то же время сообщество не может жить, если в нем не происходит кругово­рот веществ и не поступает энергия извне, т.е. отсутствуют абиотические компоненты. Все экосистемы вместе образуют биосферу Земли.

Биосистемы разных уровней являются предметом изучения различных дисциплин: генетические системы изучает генетика

(гр. genelikos - наследственный), КЛвТОЧНЫв - ЦИТОЛОГИЯ (гр. kytos - клетка),

органы - физиология (гр. physis - природа, природные функции), отдель­ные разделы медицины и др. Более высокоорганизованные си­стемы уже не укладываются в рамки одной дисциплины. Орга­низмы, например, рассматривают разнообразные разделы бо­таники И зоологии: альгология (лат. alga - водоросль), мик робиология (гр. mikros - малый), МИКОЛОГИЯ (гр. mykes - гриб), ИХТИОЛОГИЯ (гр. ichthys - рыба), ОРНИТОЛОГИЯ (гр. ornis - птица), антропология (гр. antropos - человек) И Т. П.

3 9

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

Системы, которые расположены выше уровня организмов: по-пуляционные системы, экосистемы, биосферу в целом - изучает экология.

Популяционные системы - это биосистемы, в которых био­тические компоненты представлены, как сказано выше, популяци­ями.

Популяция - это совокупность разновозрастных особей од­ного вида, обменивающихся генетической информацией, объе­диненных общими условиями существования, необходимыми для поддержания численности в течение длительного времени: общ­ность ареала, происхождение, свободное скрещивание и др.

В отличие от отдельных организмов, популяция характеризу­ется рядом признаков, носителями которых является группа, но не отдельные особи: плотность, рождаемость, смертность, воз­растная структура, распределение в пространстве, кривая ро­ста и др. Кроме «групповых свойств», популяции обладают и «биологическими свойствами», присущими как популяции, так и входящим в нее организмам. Одной из самых важных харак­теристик популяции является ее возрастная структура, опреде­ляющая кривую роста численности популяции, степень ее зре­лости и стабильности.

В быстрорастущих популяциях значительную долю составляют молодые особи; в популяциях, находящихся в стабильном состо­янии, возрастное распределение относительно равномерно, а в отмирающих популяциях молодые особи составляют меньшую долю от общей численности популяции (рис. 2.2).

Экологические системы, т.е. экосистемы занимают цент­ральное место в экологии. Популяции в экосистемах объединя­ются в сообщество организмов - биоценоз.

Возраст Развивающаяся Стабильная Вымирающая

популяция популяция популяция

Рис. 2.2. Возрастная структура популяций

Термин экосистема, как упоминалось, был предложен в 1935 г. английским эколо­гом А. Тэнсли. Сторонники системного подхода для обозначения природных комплексов использовали и другие термины: биокосное тело (В. И. Вернадский, 1924), биогеоценоз (В. Н. Сукачев, 1942), холон (А. Костлер, 1969) и др. Только в конце XX века, когда была разработана общая теория систем, утверждается термин экосистема.

Биоценоз - это сообщетсво всех организмов экосистемы, которые живут в определенном пространстве абиотической сре­ды - биотопе. Биоценоз и биотоп функционируют как единое целое, образуя экосистему (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Экосистема

Структура экосистемы формируется потоком энергии и круго­воротом веществ.

4 1

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

Глава 2. Экосистемы - предмет экологии

Дата добавления: 2014-11-18