Законы, принципы и правила экологии и природопользования

Основные законы экологии, сформулированные американским экологом Барри Коммонером в 1971 г. (Коммонер Барри. Замыкающийся круг. Природа. Человек. Технология. Пер. с англ. 1974), кратко можно представить так:

1) все связано со всем (всеобщая связь процессов и явлений в природе);

2) все должно куда-то деваться (любая природная система может развиваться только за счет использования материально-технических и информационных возможностей окружающей ее среды);

3) природа «знает» лучше (пока мы не имеем абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы, мы легко можем навредить природе, пытаясь ее улучшить);

4) ничто не дается даром (глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничто не может быть выиграно или потеряно, не может быть объектом всеобщего улучшения; все извлеченное в процессе человеческого труда должно быть возмещено).

ЗАКОН ВНУТРЕННЕГО ДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ — вещество, энергия, информация и 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.

Эмпирические следствия из 3. в. д. р.:

1. 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.

2. Взаимодействие вещественно-энергетических экологических ком­понентов (энергии, газов, жидко­стей, субстратов, организмов продуцентов, консументов и редуцентов), информации и динамических качеств природных систем количественно не линейно, т. е. слабое воздействие или изменение одного из показателей может вызвать сильные отклонения в других (и во всей системе в целом).

3. Производимые в крупных экосистемах перемены относительно необратимы. Проходя по иерархии снизу вверх — от места воздействия до биосферы в целом,— они меняют глобальные процессы и тем самым переводят их на новый эволюционный уровень.

4. Любое местное преобразование природы вызывает в глобальной совокупности биосферы и в ee крупнейших подразделениях ответные реакции, приводящие к относительной неизменности эколого-экономического потенциала («правило Тришкина кафтана»), увеличение которого возможно лишь путем значительного возрастания энергетических вложений (см. Закон снижения энергетической эффективности природопользования). Искусственный рост эколого-экономического потенциала ограничен термо­динамической устойчивостью природных систем.

Примечание. 3. в. д. р.— одно из узловых положений в природопользовании. По­ка изменения среды слабы и произведены на относительно небольшой площади, они или ограничиваются конкретным местом, или «гаснут» в цепи иерархии экосистем. Но как только перемены достигают существенных значений для крупных экосистем, напр., происходят в масштабах больших речных бассейнов или в размерах, ограниченных правилами одного и десяти процентов, они приводят к существенным сдвигам в этих обширных природных образованиях, а через них, согласно 2-му следствию из 3. в. д. р., и во всей биосфере Земли. Будучи относительно необратимыми (3-е следствие из 3. в. д. р.), изменения в природе в конечном итоге оказываются и трудно нейтрализуемыми с социально-экономической точки зрения: их выправление требует больших материальных средств и физических усилий. Иногда возникает даже ситуация, сформулированная Реймерсом в виде афоризма: «Чем больше пустынь мы превратим в цветущие сады, тем больше цветущих садов мы превратим в пустыни» (Человек и природа. 19Н1..No 8. С. 67), если, конечно, мы не пользуемся 3. в. д. р. для разумного управления природными процессами.

Сдвигая динамически равновесное (квазистационарное) состояние природных систем с помощью значи­тельных вложений энергии (напр., путем распашки и др. агротехнических приемов), люди нарушают соотношение экологических компонентов, достигая увеличения полезной продукции (урожая) или состояния среды, благоприятного для жизни и деятельности человека. Если эти сдвиги «гаснут» в иерархии природных систем (от элементарных биогеоценозов до биосферы и экосферы планеты в целом) и не вызывают термодинамического разлада в данной природной системе, положение благоприятно. Однако излишнее вложение энергии и возникающий в результате вещественно-энергетический разлад ведут к снижению природно-ресурсного потенциала вплоть до опустынивания территории, происходящего без компенсации: вместо цветущих садов возникают пустыни.

В связи с нелинейностью, неполной пропорциональностью взаимоотношения эко­логических компонентов и возникновением цепных природных реакций эффект, ожи­даемый при преобразовании природы, может не возникнуть или оказаться намного сильнее, чем необходимо. В первом случае местная реакция как бы начнет скользить по иерархии природных систем, «растворяться» в ней и. достигнув уровня всей биосферы или ее крупных подразделений, «исчезнет» (она становится неизмеряемой при наших возможностях распознания перемен в природе). Во втором случае, наобо­рот, надсистемы усиливают процесс «сверху вниз», он делается острее, заметнее. Это заставляет при проектировании рассматривать не только местные вещественно-энергетические балансы, но и вероятные изменения в надсистемах. В противном случае игнорирование 3. в. д. р. приводит к ошибкам в природопользовании.

Напр., при перегораживании пролива Кара-Богаз-Гол глухой плотиной для уменьшения потерь Каспийской воды от испарения не были учтены 1-е, 2-е и 3-е след­ствия 3. в. д. р., что вызвало к жизни действие 4-го следствия этого закона. Согласно ему, следовало либо вовсе не возводить плотину, либо сразу строить водорегулирующие шлюзы. Ныне материальные и энергетические затраты и потери значительно превзошли те, что были изначально необходимы. Противоположный пример дает агролесомелиорация степных и пустынных пространств, особенно вторичного, антропогенного проис­хождения. Тут восстановление бывшей когда-то лесистости приводит к значительно­му улучшению водного режима, повышению влажности воздуха, уменьшению скоро­сти ветра и др. положительным явлениям, увеличивающим продуктивность земель. Причем, согласно 2-му следствию 3. в. д. р., положительные изменения при правиль­ной организации работ могут значительно превысить расчетный результат.

Принцип Ле Шателье – Брауна: при внешнем воздействии на систему, находящуюся в стадии устойчивого равновесия, выводящем систему из такого состояния, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

Этот принцип в биосфере естественно осуществляется как инструмент сохранения её устойчивости и стабильности. Он объясняет причину действия закона снижения энергетической эффективности природопользования: чем больше отклонение от состояния экологического равновесия, тем значительней должны быть энергетические затраты для ослабления противодействия природных систем этому отклонению

ЗАКОН МАКСИМИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ (Г. и Э. Одумов) — в соперниче­стве с другими системами выживает (сохраняется) та из них, которая наи­лучшим образом способствует поступлению энергии и использует макси­мальное ее количество наиболее эффективным способом. « С этой целью си­стема: 1) создает накопители (хранилища) высококачественной энергии: 2) затрачивает (определенное количество.— Н. Р.) накопленной энергии на обеспечение поступления новой энергии; 3) обеспечивает кругооборот раз­личных веществ; 4) создает механизмы регулирования, поддерживающие устойчивость системы и ее способность приспособления к изменяющимся условиям: 5) налаживает с другими системами обмен, необходимый для обеспечения потребности в энергии специальных видов» (Одум Г., Одум Э. Энергетический базис человека и природы. М.. 1978. С. 72—73). Следует за­метить. что 3. м. э. справедлив и в отношении информации, поэтому его мож­но рассматривать и как 3. м. э. информации: наилучшими шансами на самосохранение обладает система, в наибольшей степени способствующая поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и инфор­мации. Максимальное поступление вещества как такового не гарантирует успеха системе в конкурентной группе др. аналогичных систем.

ЗАКОН МИНИМУМА (Ю. Либиха) — основной закон: выносли­вость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологичес­ких потребностей, т. е. жизненные возможности лимитируют экологические факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму; дальнейшее их снижение ведет к гибели организма или деструкции экосистемы.

Дополнительное правило взаимодействия факторов: организм в опреде­ленной мере способен заменить дефицитное вещество или другой действую­щий фактор иным функционально близким веществом или фактором (напр., одно вещество другим, функционально и химически близким).

Примечание. Выяснение слабого звена цени чрезвычайно важно в экологическом прогнозировании, планировании и экспертизе проектов. Правило взаимодействия факторов позволяет рационально производить замену дефицитных веществ и воздей­ствий на менее дефицитные, что важно в процессах эксплуатации природных ре­сурсов.

ЗАКОН ОГРАНИЧЕННОСТИ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ — все при­родные ресурсы (и условия) Земли конечны. Закон основан на том, что, по­скольку планета представляет собой естественно ограниченное целое, на ней не могут существовать бесконечные части. Следовательно, категория «неисчерпаемых» природных ресурсов возникла по недоразумению. К этим ресурсам относят, напр., энергетические, полагая, что солнечная энергия дает практически неисчерпаемый источник получения полезной энергии. Ошибка состоит в том, что не учитываются ограничения, накладываемые самой энергетикой биосферы, антропогенное изменение которой сверх до­пустимого предела но правилу одного процента чревато серьезными послед­ствиями. Искусственное привнесение энергии в биосферу в наше время до­стигло уже значений, близких к предельным (отличающихся от них не более чем на 1 математический порядок – в 10 раз).

ЗАКОН РАЗВИТИЯ ПРИРОДНОЙ СИСТЕМЫ ЗА СЧЕТ ОКРУЖАЮЩЕЙ ЕЕ СРЕДЫ — любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды. Абсолютно изолированное саморазви­тие невозможно. Закон есть следствие из начал термодинамики. Он имеет чрезвычайно важное теоретическое и практическое значение благодаря основным своим следствиям:

1. Абсолютно безотходное производство невозможно (оно равнозначно созданию "вечного" двигателя).

2. Любая более высокоорганизованная биотическая система (напр., вид живого), используя и видоизменяя среду жизни, представляет потен­циальную угрозу для более низкоорганизованных систем (благодаря этому в земной биосфере невозможно повторное зарождение жизни — она будет уничтожена существующими организмами).

3. Биосфера Земли как система развивается не только за счет ресурсов планеты, но опосредованно за счет и под управляющим воздействием космических систем (прежде всего Солнечной).

Примечание. Согласно первому следствию, мы можем рассчитывать лишь на малоотходное производство, поэтому первым этапом развития технологий должна быть их малая ресурсоемкосто (как на входе, так и на выходе — экономность и незначительные выбросы), вторым этапом будет создание цикличности производств (отходы одних могут быть сырьем для других) и третьим — организация разумного депонирования (захоронения) неминуемых остатков и нейтрализация неустрани­мых энергетических отходов (все три этапа могут быть одновременными). Представ­ление, будто биосфера работает по принципу безотходности, ошибочно, так как в ней всегда накапливаются выбывающие из биологического круговорота вещества, формирующие осадочные породы.

Согласно второму следствию рассматриваемого закона, воздействие человека на природу требует мероприятий по нейтрализации этих воздействий, поскольку они могут оказаться разрушающими для остальной природы и,. согласно правилу соответствия условий среды генетической предопределённости организма, угрожают и, самому человеку. В связи с этим охрана природы — одна из обязательных составляющих социально-экономического развития высокоразвитого общества. См. также четвертый "закон" экологии Б. Коммонера.

Третье следствие закона имеет особое значение для долгосрочного прогнозирования. Оно должно учитываться при рассмотрении всех процессов, происходящих на Земле. Однако необходимо сознавать, что космические воздействия преломляются земными процессами, и выявление здесь прямых связей носит вероятностный ха­рактер. Напр., в годы высокой солнечной активности не обязательно будет прояв­ляться весь аспект явлений, наблюдавшихся в предыдущий цикл такой же актив­ности светила. Они лишь могут возникнуть и статистически вероятны.

ПРАВИЛО ОДНОГО ПРОЦЕНТА — изменение энергетики природ­ной системы в пределах 1 % (от немногих десятых до, как исключе­ние, единиц процентов) выводит природную систему из равновесного (квазистационарного) состояния. Эмпирически П. о. п. подтверждается ис­следованиями в области мировой климатологии и др. геофизических, а также биофизических процессов. Все крупномасштабные явления на поверхности Земли (мощные циклоны, извержения вулканов, процесс глобального фотосинтеза..), как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1 % от энергии солнечного излучения, падающего на поверхность нашей планеты. Переход энергетики процесса за это зна­чение обычно приводит к существенным аномалиям — резким климати­ческим отклонениям, переменам в характере растительности, крупным лесным и степным пожарам... Как и в случае правила десяти процен­тов, многое зависит от состояния природной системы, в которой проис­ходят изменения. Это делает П. о. п. вероятностным, дает лишь придержки, которым целесообразно следовать или во всяком случае учи­тывать большую вероятность цепи событий, связанных с выходом сис­темы из равновесного (квазистационарного) состояния. См. также 2-е следствие закона внутреннего динамического равновесия.

Примечание. Особое значение П. о- п. имеет для глобальных систем. Их энергетика, видимо, принципиально не может превзойти уровень примерно 0,2% от поступающей солнечной радиации (уровень энергетики фотосинтеза) без ка­тастрофических последствий. Вероятно, это непреодолимый порог и лимит для человечества (из него следует и «ядерная зима»).

ЗАКОН СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИ­РОДОПОЛЬЗОВАНИЯ — с ходом исторического времени при получении из природных систем полезной продукции на ее единицу в среднем затра­чивается все больше энергия. (Увеличиваются и энергетические расходы на одного человека).

Расход энергии на одного человека (в ккал/сут.) в каменном веке был порядка 4 тыс., в аграрном обществе — 12 тыс., в индустриальную эпоху — 70 тыс., а в передовых развитых странах настоящего времени — 230 - 250 тыс., т. е. в 58 - 62 раза больше, чем у наших далеких предков. С начала нашего века количество энергии, затрачиваемое на 1 единицу с.-х. продукции, в развитых странах мира возросло в 8 - 10 раз, на 1 еди­ницу промышленной продукции — в 10 - 12 раз. Общая энергетическая эффективность с.-х. производства (соотношение вкладываемой и получаемой с готовой продукцией энергии) в промышленно развитых странах примерно в 30 раз ниже, чем при примитивном земледелии. В ряде случаев увели­чение затрат энергии на удобрения и, обработку нолей в десятки раз приво­дит лишь к весьма незначительному (на 10 - 15%) повышению урожай­ности. Это связано с необходимостью параллельно с улучшением агротех­ники учитывать общую экологическую обстановку, налагаемые ею ограничения (см. Закон оптимальности). В начале 80-х годов удельные затраты энергии на производство единицы валового национального продукта (ВНП) в ходе решительных мер но экономии энергии в промышленно раз­витых странах сократились на 15%. В течение последнего десятилетия ВНП возрос тут на 20%, а потребление энергии – лишь на 2% (это стало возможно в результате устранения неоправданных потерь энергии). Однако в то же время в развивающихся странах расход энергии увеличился на 24% и составил 10% от общемирового (против 5% в начале периода), т. е. имел тенденцию к быстрому росту. Несмотря на ожидаемое сниже­ние потребления энергии на одну денежную единицу ВНП в кг условного топлива, общее увеличение ВНП и абсолютно необходимое возрастание валового национального дохода в развивающихся странах приведут к даль­нейшему росту энергопотребления, а падение природно-ресурсного потенциала-2 – к росту энергетических затрат.

Подосновой 3. с. э. э. п. служит Принцип Ле Шателье — Брауна и Закон внутреннего динамического равновесия. Закон перекликается с чет­вертым «законом» экологии Б. Коммонера: «Ничего не дается даром».

Закон имеет еще одно весьма важное практическое следствие: рост энергетических затрат не может продолжаться бесконечно. Значит, можно рассчитать вероятный момент неизбежного перехода на новые, энергосбе­регающие технологии промышленного и с.-х. производства, избежав тем самым термодинамического (теплового) и экологического кризисов.

ПРАВИЛО ДЕСЯТИ ПРОЦЕНТОВ — среднемаксимальный переход с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой 10% (от 7 до 17%) энергии (или вещества в энергетическом выражении), как правило, не ведет к неблагоприятным для экосистемы (и теряющего энергию трофического уровня) последствиям.

Примечание. Согласно опыту, в стационарных популяциях (не подверженных в данный момент массовому размножению или катастрофическому падению численности) изъятие 10 - 30% особей также не ведет к выведению популяции из стационарного (вернее, квазистационарного) состояния. В нестационарных популяциях при их росте возможно изъятие до 95% особей, что не предот­вращает дальнейшего увеличения численности. В то же время из популяций, снижающих численность, изъятие особей в пределах П. д. п. может привести к полному их исчезновению. Использование П. д. п. позволяет определять возмож­ный и безопасный объем промысла особей. Однако пока нет способов для прог­ноза динамического состояния популяций, поэтому в одних случаях нормы про­мысла в пределах II. д. п. оказываются завышенными, а в других — заниженны­ми. Можно считать, что П. д. п. дает лишь общую придержку для практических целей. Подосновой П. д. п. служит Закон пирамиды энергий.

ЗАКОН ПИРАМИДЫ ЭНЕРГИЙ (Р. Линдемана) —с одного трофи­ческого уровня экологической пирамиды переходит на др. ее уровень в среднем не более 10% энергии. 3.п.э. позволяет делать расчеты необ­ходимой земельной площади для обеспечения населения продовольствием и др. эколого-экономические подсчеты. См. Правило десяти процентов.

ПРАВИЛО «МЯГКОГО» УПРАВЛЕНИЯ ПРИРОДОЙ — «мягкое» (опосредованное, направляющее, восстанавливающее экологический ба­ланс) управление природными процессами, как правило, способно вызвать желательные природные цепные реакции и потому социально экономически предпочтительнее «жесткого», техногенного. Это правило целе­сообразного преобразования природы. В отличие от «жесткого» управ­ления (см. Правило цепных реакций при «жестком» управлении) «мяг­кое» управление, основанное на восстановлении бывшей естественной продуктивности экосистем или ее повышении путем целенаправленной и основанной на использовании объективных законов природы серии мероприятий, позволяет направлять природные цепные реакции в бла­гоприятную для хозяйства и жизни людей сторону. Примером может служить сопоставление двух форм ведения лесного хозяйства — сплошнолесосечной («жесткое» воздействие) и выборочных рубок («мягкое» воздействие). Считается экономически более рентабельной сплошная рубка, при которой в один прием забирается вся древесина. При вы­борочной рубке возникает много осложнений технического порядка, и потому древесина оказывается дороже. При этом предполагается, что на сплошных лесосеках лес можно и нужно восстанавливать путем его массовой посадки (и это мероприятие обходится в целом недорого). Однако при сплошных рубках постепенно теряется сама лесная среда, что ведет к падению уровня рек, в других местах — к заболачиванию, зарастанию лесосеки нелесными видами растений, препятствующим росту леса, возникновению очагов размножения вредителей леса (см. Правило внутренней непротиворечивости) и др. неблагоприятным послед­ствиям. Более низкие начальные затраты «жесткого» мероприятия дают цепь ущербов, требующих затем больших расходов на их ликвидацию. Наоборот, при выборочных рубках управление восстановлением леса облегчается из-за сохранения лесной среды. Повышенные начальные затраты постепенно окупаются в результате предотвращения ущербов.

Различные формы по-настоящему разумной мелиорации прежде все­го основаны на «мягком» управлении природой. При этом, согласно второму следствию закона внутреннего динамического равновесия, можно вызвать более сильные положительные изменения, чем изменения, произ­водимые на основе «жесткого» управления природой. Переход от «мяг­кого» к «жесткому» управлению целесообразен лишь при одновременной замене экстенсивных форм хозяйства предельно интенсивными и, как правило, в пределах относительно коротких интервалов времени. В долго­срочной перспективе эффективно только «мягкое» управление природ­ными процессами.

ПРАВИЛО ОБЯЗАТЕЛЬНОСТИ ЗАПОЛНЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ НИШ — пустующая экологическая ниша всегда бывает естественно заполнена. Экологическая ниша как функциональное место вида в эко­системе позволяет форме, способной выработать приспособительные особенности, заполнить эту нишу, однако иногда это требует значитель­ного времени. Нередко так называемые пустующие экологические ниши лишь обман зрения специалистов. На самом деле этих функциональ­ных мест в экосистеме нет: они заполнены порой самым неожиданным образом.

ПРАВИЛО (неизбежных) ЦЕПНЫХ РЕАКЦИЙ «ЖЕСТКОГО» УПРАВЛЕНИЯ ПРИРОДОЙ — «жесткое», как правило, техническое уп­равление природными процессами чревато цепными природными реак­циями, значительная часть которых оказывается экологически, социаль­но и экономически неприемлемыми в длительном интервале времени. Действие этого правила связано прежде всего с тем, что грубое, «хирур­гическое» вмешательство в жизнь природных систем вызывает действие закона внутреннего динамического равновесия и значительное увеличе­ние энергетических затрат на поддержание природных процессов (усили­вает действие закона снижения энергетической эффективности приро­допользования). Как правило, нарушается и закон оптимальности. В связи со сказанным «жесткие» управленческие решения типа межзо­нального перераспределения речных вод, орошения исконно сухих сте­пей и т. п. мероприятия требуют либо существенных компенсаций (промывка засоленных земель, борьба со вновь возникшими очагами заболеваний и массового размножения вредителей и т. д.), либо должны проводиться с величайшей осторожностью и осмотрительностью. Как правило, любая степень предусмотрительности не снимает угрозы дей­ствия 4-го следствия закона внутреннего динамического равновесия и 3-го «закона» экологии Б. Коммонера. См. также Принцип Ле Ш ателье — Брауна.

Примечание. П. (н.) ц. р. «ж», у. п. дополняется, как следствием, принципом естественности, или «старого автомобиля» — со временем эколого-социально- экономическая эффективность технических устройств, обеспечи­вающих «жесткое» управление природными системами и, процессами, снижается, а экономические расходы на их поддержание возрастают. В то же время «мяг­кое» управление, как правило, позволяет поддерживать природные системы в равновесном состоянии в течение неопределенно долгого времени. Отсюда необ­ходимость сочетания типов управления природой и приоритет «мягкого» управ­ления перед «жестким» в хозяйственной деятельности.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение терминам природопользование, рациональное природопользование.

2. Укажите причины, диктующие необходимость соблюдения экологических законов при управлении природопользованием.

3. Законы экологии Б. Коммонера.

4. Закон внутреннего динамического равновесия и следствия из него.

5. Закон максимизации энергии.

6. Закон минимума.

7. Закон ограниченности природных ресурсов.

8. Закон развития природной системы за счет окружающей среды.

9. Правило одного процента.

10.Закон снижения энергетической эффективности природопользования.

11.Правило десяти процентов.

12.Закон пирамиды энергий.

13. Правило «мягкого» управления природой.

13.Правило неизбежных цепных реакций «жесткого» управления природой.

Литература

1. Реймерс Н. Ф. Природопользование: Словарь-справочник, - М.; Мысль,

1990. - 637 стр.

2. Вронский В.А. Экология: Словарь-справочник, - Ростов-на-Дону; Феникс,

1997, - 576 стр.

3. Вронский В.А. Прикладная экология, - Ростов-на-Дону; Феникс, 1996, - 512 стр.

4. Кормилицын В. И., Цицкишвили М.С., Яламов Ю. И. Основы экологии, - М.; МПУ, 1997, - 368 стр.

5. Новиков Ю. В. Экология, окружающая среда и человек: М.; Агентство «ФАИР»,

1998, - 320 стр.

Составил: профессор кафедры химии и экологии, д.т.н. Л.П. Милешко

Дата добавления: 2014-01-04