Антропогенни въздействия върху енергийните потоци и циклите на веществата - Степановских А
13.4. Антропогенни въздействия върху енергийните потоци и кръговрата на материята
Почти 300 милиона тона вещества и материали се извличат ежедневно от всички отрасли на човешката икономика, изгарят се около 30 милиона тона гориво, използват се 2 милиарда m 3 вода и 65 милиарда m 3 кислород. Всичко това е съпроводено с изразходване на природни ресурси и масово замърсяване на околната среда. И така, на фиг. 13.10 показва потока на енергията и циркулацията на материята в едно модерно индустриализирано общество.
Сравнението на антропогенните материални потоци с параметрите на биосферния цикъл показва, че човешката дейност определя значителна част от биогеохимичната динамика на материята на планетата. Общата консумация на прясна вода от човечеството е достигнала 2% от обема на влагата, въведена в биосферния цикъл чрез транспирация на всички земни растения. Антропогенният газообмен в атмосферата е 15-18% от общия биотичен газообмен. Степента на използване на производството на биомаса е достигнала 10%. Т.А. Акимова, В.В. Haskin (1994) цитира данни, че човечеството в резултат на своята жизнена дейност връща 1,5 G издишани въглероден диоксид и пари в атмосферата. В този случай се отделя 18 EJ топлина. 3,9 g течни и 0,7 g твърди отпадъци (човешки изпражнения и битови отпадъци) преминават на повърхността на земята и във водоемите. Разликата между доходите и потреблението, близо 100 милиона тона годишно, показва нарастване на броя, масата на човечеството и масата на предмети и материали за индивидуално потребление.
Ориз. 13.10. Потокът на енергията и циркулацията на материята в съвременната
индустриализирано общество (по Ф. Рамад, 1981 г.)
Значителни ресурси и екологични проблеми са свързани с техническата енергия и промишленото производство, включително индустриалнототехнологии в селското стопанство. По този начин изгарянето на 10 G изкопаемо гориво, както и биологичното окисление на повече от 5 G растителна биомаса, когато се хранят със селскостопански животни, е свързано с консумацията на 34–35 G кислород и връщането на 39–40 G въглероден диоксид и 9–10 G влага в атмосферата (без да се включва техногенното изпаряване на свободна вода). Освен това във въздуха влизат продукти от непълно изгаряне, различни аерозоли от прах и дим, оксиди, соли, значително количество различни летливи вещества, които се отделят по време на производствения процес и работата на превозните средства. Общата маса на тези примеси е 2 g годишно. В сряда се отделя до 400 EJ топлина, което създава заплаха от топлинно замърсяване на планетата.
Повече от 100 g твърди и течни отпадъци се генерират годишно от минната и преработвателната промишленост. Около 15% попадат във водни обекти с отпадъчни води, останалата част се добавя към сметища, така наречените "отпадъчни скали", депа, складове и гробища на промишлени отпадъци.
Така критичната ситуация в края на ХХ век. формират следните негативни тенденции.
1. Потреблението на земните ресурси толкова много надвиши скоростта на естественото им възпроизводство, че изчерпването на природните ресурси започна да оказва забележимо въздействие върху тяхното използване, върху националната и световната икономика и доведе до необратимо обедняване на литосферата и биосферата.
2. Отпадъците, страничните продукти от производството и отпадъците замърсяват биосферата, причиняват деформации на екологичните системи, нарушаватглобалната циркулация на веществаи представляват заплаха за човешкото здраве (фиг. 13.11).
Ориз. 13.11. Начини за нарушаване от човешката дейност на устойчивото
нивото на експлоатация на природните ресурси на биотата (според Б. Небел, 1993 г.)
Ориз. 13.12 Модел на възможния негативоколната среда
Съществената разлика между антропогенния масов трансфер ибиотичния цикъл на веществата в природатае, че първият не образува или почти не образува затворени цикли. По същество е отворен както качествено, така и количествено. Само част от биологичните ресурси, изтеглени от човека от природата, могат реално да бъдат възобновени. Само част от производствените отпадъци могат да бъдат използвани от биотата или неутрализирани в резултат на биогеохимична миграция на вещества. Темповете на обновяване, рециклиране и неутрализиране в съвременната епоха изостават от темповете на отнемане на ресурси и замърсяване на околната среда. Това е най-типично за големите индустриални градове (фиг. 13.13 и 13.14).
Ориз. 13.13. Масов трансфер на модерен индустриален град (t/ден)
Ориз. 13.14. Взаимодействие на града и природната среда
В границите на големите градове всички елементи на средата са променени. Поради факта, че антропогенният метаболизъм е съществена част от биосферния кръговрат на веществата, неговата отвореност нарушава необходимата висока степен на изолация на глобалния биотичен цикъл, развил се в дълга еволюция и който е най-важното условие за стационарното състояние на биосферата. Антропогенните въздействия също засягат циклите на водата, кислорода, въглерода, азота, фосфора и сярата.
В някои случаи въздействието на икономическата дейност на човека върхуводния цикъл,или естествения хидрологичен цикъл, може да бъде целенасочено, в други - случайно, непредвидено (фиг. 13.15).
Ориз. 13.15. Антропогенно въздействие върху цикъла
вода (естествен хидрологичен цикъл),
по P. Revell, C. Revell, 1994г
По този начин количеството на валежите в промишленирегионите имат тенденция да се увеличават. Причината за това е изобилието от най-малките частици минерални вещества, които ускоряват кондензацията на водните пари. Друг пример е увеличеният отток на вода в резултат на унищожаването на растителната покривка. Както знаете, растителната покривка (дървета, треви и др.) улавя и задържа водата, просмукваща се в почвата. Унищожаването на растителността увеличава оттичането на вода и може да доведе до наводнения. Често човек изкуствено предотвратява изтичането на речни и езерни води, например в океаните. В такива случаи водата е замърсена с химически и биологични отпадъци.
Човешката дейност нарушава естествения балансна въглеродния цикъл(фиг. 13.16).
Ориз. 13.16. Антропогенно въздействие върху въглеродния цикъл
Глобалното равновесие (въглероден диоксид - жива материя - мъртва органична материя) е силно изместено в почти всички връзки.Първо,когато горивото се изгаря при сегашното ниво на потреблението му, в атмосферата навлизат 5 - 6×10 9 t С годишно.Второ,изгарянето на тропически гори за разширяване на обработваемата земя, което е необходимо поради годишното нарастване на населението в тропическите и субтропичните страни с 2,4%, води до освобождаване на около 5 × 10 8 t С годишно под формата на въглероден диоксид.Трето,приблизително същото количество органичен C от фитомасата на тропическите гори навлиза в атмосферата поради дърводобив, при който само част от фитомасата се изнася като дървесина, а отпадъците (клони, игли и др.) и повредените дървета гният и минерализират.Четвърто,от почвата на обработваемите земи, предимно в тропиците, още 3 - 10×10 8 С,, първоначално съдържащи се в органичната материя на почвата, преминават в атмосферата годишно. Общо органичен C, загубен от всичкиземните екосистеми, включително нетропичните, през историческия период е около 7-10 × 10 11 тона.По този начин редица антропогенни процеси значително изместват биосферния въглероден баланс към увеличаване на концентрацията на въглероден диоксид в атмосферата. Въпреки че част от CO2, отделен по време на изгарянето на гориво, се абсорбира от океаните, по-голямата част от него остава в атмосферата. Резултатите от анализите убедително свидетелстват за постоянното нарастване на CO2 в атмосферата от 50-те години на миналия век. 20-ти век 25% увеличение на нивата на въглероден диоксид в атмосферата до 2000 г. изглежда най-вероятно. Подобно увеличение може да причини повишаване на глобалната температура с 1°C, „парников ефект“. Това е изключително опасно. Поради „парниковия ефект“ и възможността за промяна на климата, полярните ледове ще се стопят, нивото на Световния океан ще се повиши, крайбрежните райони ще бъдат наводнени и важни местообитания за много видове, включително хора, ще бъдат премахнати.
J. Mitchell (1979) смята, че в края на 20 век очакваното повишаване на температурата на земната повърхност ще се прояви доста ясно. Той също така вярва, че до момента, в който климатичните смущения от високия CO2 се проявят напълно, може би след хилядолетия или по-късно, температурата на земната атмосфера в глобален мащаб може да надхвърли най-високите нива, които са настъпили през последните милиони години от историята на Земята.
Човек също се намесва вестествения азотен цикъл(фиг. 13.17).
Ориз. 13.17. Антропогенно въздействие върху кръговрата на азота
В края на 20-ти век фиксирането на атмосферен азот от промишлеността от повече от 30 милиона тона годишно е най-малко една трета от общия наличен внос на азотни съединения на земната повърхност и в океана (около 92 милиона тона годишно, включително промишлено фиксиране; втази сума не включва газовото и аерозолното замърсяване на атмосферата) и около половината от притока на азот в биосферата, който беше преди индустриалната революция. Денитрификацията, водеща до отстраняване на азот от екосистемите, е около 83 милиона тона годишно и следователно до 9 милиона тона азот в свързана форма се натрупват в биосферата годишно. Потокът от свързан азот, консумиран директно от човечеството под формата на хранителни протеини и дрехи, с годишна норма от 5 kg, може да достигне 32 милиона тона през 2000 г.
В допълнение, азотните оксиди, влизащи в атмосферата, играят значителна роля в образуването на смог. Излишъкът от нитрати, навлизащи във водните тела в резултат на неразумното използване на торове в селското стопанство, води до развитието на колосални популации от водорасли в тези водни тела и в резултат на това до еутрофикация на водните тела. Емисиите на амоняк и различни азотни оксиди в атмосферата са 200-350 милиона тона годишно, определена част от които се връщат на повърхността на почвата или водните басейни под формата на "киселинни валежи", причинявайки пагубни промени в екосистемите.
В редица региони на биосферата антропогенното внасяне на азот в екосистемите преобладава над всички останали източници. Например в САЩ от 21 милиона тона азот, постъпващ годишно в почвите, 5,6 милиона тона се падат на валежите, 4,8 милиона тона на биогенната фиксация и 7,5 милиона тона на минералните торове.
Ориз. 13.18. Промени във фосфорния цикъл като резултат
икономическа дейност на човека
Загубата на фосфор прави неговата циркулация по-малко затворена. Тези нарушения са свързани със следните антропогенни фактори.
1. Добив на фосфор от руди и шлаки, производство и използване на торове за селското стопанство. 2. Производство на фосфорсъдържащи препарати с приложение в промишлеността и бита. 3.Производство на голямо количество фосфорсъдържащи храни и фуражи, износът и консумацията им в райони на концентрация на населението. 4. Производство и консумация на морски дарове на сушата, което включва преразпределение на биогенни фосфати от океана към сушата.
През 90-те години. 20-ти век световното производство на фосфатни торове и други фосфорни съединения възлиза на около 35 милиона тона годишно по отношение на P.0., а до 2000 г. тази цифра се очаква да се удвои. Основното количество от тези фосфати се извлича от скали, а останалото - от гуано. По-нататъшното използване на този фосфор е следното: от 10 части фосфор, използвани за храна на добитък, една част достига до човек с храна, три части се абсорбират от почвата и остават там, а шест части, или 60%, навлизат в екскрементите и, ако не се използват като торове, което често се случва на практика, след това се измиват във водни басейни и причиняват тяхната еутрофикация. Фосфорът, който навлиза в реките, само частично навлиза в океана. Част от него се задържа във водоеми, което отново стимулира тяхната еутрофикация. По този начин се получава изпомпване на фосфор от скали (апатити, фосфорити) в клетките на синьо-зелените водорасли, които се натрупват в еутрофирани водни тела. Миграцията на фосфор по тези вериги вероятно е не по-малка от естествения процес на навлизането му с речния отток във водите на Световния океан, което е около 2 милиона тона или малко повече.
P. Duvigno (1967) подчертава, че„.ситуацията един ден ще се окаже много заплашителна и човек може да се съгласи с Уелс, Хъксли и Уилс (1939), че фосфорът е най-слабото звено в жизнената верига, която осигурява съществуването на човека.“
Общото количество сяра, участващо в нейниябиогеохимичен цикъл, се изчислява със следните числа (на година): от океана до атмосфератаПостъпват 82 млн. т., а се отлагат 96 млн. т. 130 млн. т. влизат в атмосферата от сушата и се връщат 116 млн. т. Антропогенните източници представляват 46% от внесената сяра от сушата в атмосферата и почти всички нейни съединения, постъпили там по техногенен път под формата на оксиди и други съединения се връщат на земната повърхност и оказват пагубно влияние върху екосистемите. Един от основните антропогенни източници на серни съединения, влизащи в биосферата, е сярата, извлечена от дълбините на нефт и въглища, или сярата, натрупана от живата материя на бивши биосфери за дълъг период от време, върната в съвременната биосфера на една глътка. Според прогнозите, глобалните емисии на техногенни серни оксиди в сравнение с началото на 70-те години. 20-ти век до 2000 г може да се увеличи с 2-3,5 пъти. Това свръхнасищане ще допринесеза значителна промяна в естествения цикъл на сярата в природата.