История развития экологии как науки

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. История развития экологии как науки

Экология своими корнями уходит в далекое прошлое. Потребность в знаниях, определяющих «отношение живого к окружающей его органической и неорганической среде», возникла очень давно. Достаточно вспомнить труды Аристотеля (384 - 322 до н.э.), Плиния Старшего (23-79 н.э.), Р. Бойля (1627-1691) и др., в которых обсуждалось значение среды обитания в жизни организмов и приуроченность их к определенным местообитаниям, чтобы убедиться в этом.

В истории развития экологии можно выделить три основных этапа.

Первый этап - зарождение и становление экологии как науки (до 60-х гг. XIX в.). На этом этапе накапливались данные о взаимосвязи живых организмов со средой их обитания, делались первые научные обобщения.

В XVII-XVIII вв. экологические сведения составляли значительную долю во многих биологических описаниях (А. Реомюр, 1734; А. Трамбле, 1744, и др.). Элементы экологического подхода содержались в исследованиях русских ученых И.И. Лепехина, А.Ф. Миддендорфа, С.П. Крашенинникова, французского учёного Ж. Бюффона, шведского естествоиспытателя К. Линнея, немецкого ученого Г. Йегера и др.

В этот же период Ж.-Б. Ламарк (1744-1829) и Т. Мальтус (1766-1834) впервые предупреждают человечество о возможных негативных последствиях воздействия человека на природу.

Второй этап - оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (после 60-х гг. XIX в.). Начало этапа ознаменовалось выходом работ русских ученых К.Ф. Рулье (1814-1858), Н.А. Северцова (1827-1885), В.В. Докучаева (1846-1903), впервые обосновавших ряд принципов и понятий экологии, которые не утратили своего значения и до настоящего времени. Неслучайно поэтому американский эколог Ю. Одум (1975) считает В.В. Докучаева одним из основоположников экологии. В конце 70-х гг. XIX в. немецкий гидробиолог К. Мёбиус (1877) вводит важнейшее понятие о биоценозе как о закономерном сочетании организмов в определенных условиях среды.

Неоценимый вклад в развитие основ экологии внес Ч. Дарвин (1809-1882), вскрывший основные факторы эволюции органического мира. То, что Ч. Дарвин называл «борьбой за существование», с эволюционных позиций можно трактовать как взаимоотношения живых существ с внешней абиотической средой и между собой, т.е. с биотической средой.

Немецкий биолог-эволюционист Э. Геккель (1834-1919) первый понял, что это самостоятельная и очень важная область биологии, и назвал ее экологией (1866). В своем капитальном труде «Всеобщая морфология организмов» он писал: «Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и прежде всего - его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт. Одним словом, экология - это изучение всех сложных взаимоотношений, которые Дарвин назвал «условиями, порождающими борьбу за существование».

Как самостоятельная наука экология окончательно оформилась в начале XX столетия. В этот период американский ученый Ч. Адаме (1913) создает первую сводку по экологии, публикуются другие важные обобщения и сводки (В. Шелфорд, 1913, 1929; Ч. Элтон, 1927; Р. Гессе, 1924; К. Раункер, 1929 и др.). Крупнейший русский ученый XX в. В.И. Вернадский создает фундаментальное учение о биосфере.

В 30-е и 40-е гг. экология поднялась на более высокую ступень в результате нового подхода к изучению природных систем. Сначала А. Тенсли (1935) выдвинул понятие об экосистеме, а несколько позже В.Н. Сукачев (1940) обосновал близкое этому представление о биогеоценозе. Следует отметить, что уровень отечественной экологии в 20-40-х гг. был одним из самых высоких в мире, особенно в области фундаментальных разработок. В этот период в нашей стране работали такие выдающиеся ученые, как академики В.И. Вернадский и В.Н. Сукачев, а также крупные экологи В.В. Станчинский, Э.С. Бауэр, Г.Г. Гаузе, В.Н. Беклемишев, А.Н. Формозов, Д.Н. Кашкаров и др.

Во второй половине XX в. в связи с прогрессирующим загрязнением окружающей среды и резким усилением воздействия человека на природу экология приобретает особое значение.

Начинается третий этап (50-е гг. XX в. - до настоящего времени) - превращение экологии в комплексную науку, включающую в себя науки об охране природной и окружающей человека среды. Из строгой биологической науки экология превращается в «значительный цикл знания, вобрав в себя разделы географии, геологии, химии, физики, социологии, теории культуры, экономики…» (Реймерс, 1994).

Современный период развития экологии в мире связан с именами таких крупных зарубежных ученых, как Ю. Одум, Цж. М. Андерсен, Э. Пианка, Р. Риклефс, М. Бигон, А. Швейдер, Дж. Харпер, Р. Уиттекер, Н. Борлауг, Т. Миллер и др. Среди отечественных ученых следует навать И.П. Герасимова, А.М. Гилярова, В.Г. Горшкова, Ю.А. Израэля, Ю.Н. Куражсковского, К.С. Лосева, Н.Н. Моисеева, Я.П. Наумова, Н.Ф. Реймерса, В.В. Розанова, Ю.М. Свирикева, В.Е. Соколова, В.Д. Федорова, С.С. Шварца, А.В. Яблокова, А.Л. Яншина и др.

Первые природоохранные акты на Руси известны с IX - <И вв. (например, свод законов Ярослава Мудрого «Русская Правда», в которых были установлены правила охраны охотничьих и бортничьих угодий). 8 XIV-XVII вв. на южных границах Русского государства существовали «засечные леса», своеобразные охраняемые территории, на которых были запрещены хозяйственные рубки. История сохранила более 60 природоохранных указов Петра I. При нем же началось изучение богатейших природных ресурсов России. В 1805 г. в Москве было основано общество испытателей природы. В конце XIX - начале XX в. возникло движение за охрану редких объектов природы. Трудами выдающихся ученых В.В. Докучаева, К.М. Бэра, Г.А. Кожевникова, И.П. Бородина, Д.Н. Анучина, С.В. Завадского и других были заложены научные основы охраны природы.

Начало природоохранной деятельности Советского государства совпало с рядом первых декретов, начиная с «Декрета о земле» от 26 октября 1917 г., который заложил основы природопользования в стране.

Именно в этот период зарождается и получает законодательное выражение основной вид природоохранной деятельности - охрана природы.

В период 30-40-х гг., в связи с эксплуатацией природных богатств, вызванной главным образом ростом масштабов индустриализации в СССР, охрана природы стала рассматриваться как «единая система мероприятий, направленная на защиту, развитие, качественное обогащение и рациональное использование природных фондов страны» (из резолюции Первого Всероссийского съезда по охране природы, 1929 г.).

Таким образом, в России появился новый вид природоохранной деятельности - рациональное использование природных ресурсов.

В 50-е г. дальнейшее развитие производительных сил в стране, усиление негативного влияния человека на природу обусловили необходимость создания еще одной формы, регулирующей взаимодействие общества и природы, - охраны среды обитания человека. В этот период принимаются республиканские законы об охране природы, которые провозглашают комплексный подход к природе не только как к источнику природных ресурсов, но и как к среде обитания человека. К сожалению, еще торжествовала лысенковская псевдонаука, канонизировались слова И.В. Мичурина о необходимости не ждать милости от природы.

В 60-80-е гг. в СССР практически ежегодно принимались правительственные постановления об усилении охраны природы (об охране бассейна Волги и Урала, Азовского и Черного морей, Ладожского озера, Байкала, промышленных городов Кузбасса и Донбасса, Арктического побережья). Продолжался процесс создания природоохранного законодательства, издавались земельные, водные, лесные и иные кодексы.

Эти постановления и принятые законы, как показала практика их применения, не дали необходимых результатов - губительное антропогенное воздействие на природу продолжалось. В 1986 г. на Чернобыльской АЭС произошла крупнейшая за всю историю развития человечества экологическая катастрофа. Сегодня Россия продолжает находиться в сложной экологической ситуации.

Значимые моменты в развитии современной экологии

1. Дифференциация знаний и появление узкоспециализированных направлений (социальная экология, прикладная экология и др.).

2. Превращение в общебиологическую науку (например, закономерности, обнаруженные фитоэкологами, являются существенными и в зооэкологии).

3. Унифицирование в терминологии и в определениях целого ряда экологических понятий. Способствовали этому многочисленные симпозиумы по экологическим вопросам, тесные контакты. Международная биологическая программа (МБП) - 1968 г.

4. Трансформация экологии из науки о жизни природы в науку о структуре природы, о работе живого покрова Земли в целостных экосистемах. Экология начала выявлять пути управления биологическими ресурсами биосферы и вопросами из возобновления; решать задачи прогнозирования продуктивности биогеоценозов; производить моделирование оптимальных экосистем; стала научной основой охраны природы и рационального природопользования.

5. Появление новых методов в практике экологических исследований (мониторинг, моделирование, прогнозы, экспресс-контроль и др.).

6. Развитие теории экологической грамотности. Учебная дисциплина «Экологии» введена в содержание обучения в общеобразовательных школах и в высших учебных заведениях.

9. Разработка стратегии защиты жизнеспособности планеты, которая направлена на обеспечение устойчивого развития человечества, сохранение лесов, вод, почвы, атмосферы и биологического разнообразия.

2. Альтернативное топливо для автотранспорта

Под альтернативными видами топлива мы понимаем топливо, полученное из возобновляемых источников энергии. Существуют также и другие виды топлива, как, например, сжиженный нефтяной газ (пропанобутановые фракции) или природный газ, которые являются производными ископаемого топлива, но во многих странах также считаются топливом альтернативным нефти.

Газообразное топливо - единственный вид альтернативного топлива, для которого в России решены технические и экологические проблемы использования. Основная трудность перехода автомобильного транспорта на газовое топливо заключается в необходимости создания соответствующей инфраструктуры: заводов, хранилищ, заправочных станций. Приходится учитывать и психологию потребителя, с предубеждением относящегося к непривычному газообразному топливу.

Сжатый природный газ, по составу представляющий собой преимущественно метан, может использоваться как моторное топливо после сравнительно несложной переделки двигателя и автомобиля, которая заключается в установке баллонов, рассчитанных на давление примерно 20 МПа, и внесении изменений в конструкцию системы топливоподачи. Благодаря высокому значению октанового числа, природный газ является отличным топливом для двигателей, работающих по циклу Отто. Использование природного газа в дизельных двигателях затрудняется из-за его сравнительно высокой температуры самовоспламенения и соответственно низкого цетанового числа. Чтобы преодолеть это затруднение, используют так называемую двухтопливную систему - небольшое количество дизельного топлива впрыскивается в камеру сгорания в качестве запального заряда, а затем подается сжатый природный газ.

Вследствие более низкого содержания углерода, чем в нефтяных топливах (75% в метане против 80-90% в бензинах), при сгорании природного газа образуется меньше СО₂, например, по сравнению с бензинами - в 1,22 раза. По этой же причине, а также благодаря полному отсутствию в природном газе ароматических углеводородов в камере сгорания отлагается меньше нагара.

Топливовоздушная смесь, приготовленная на основе природного газа, не содержит жидкой фазы, а, следовательно, равномернее распределяется по цилиндрам двигателя и не смывает с их поверхности смазку. Благодаря этому, как показали эксплуатационные испытания, моторесурс двигателя и срок службы свечей зажигания увеличивается на 30-40%, а срок службы масла - в 2-3 раза.

- На 7-8% увеличивается трудоемкость обслуживания и ремонта автомобиля. Снижение до 20% мощности двигателя, вследствие которого на 5-6% уменьшается максимальная скорость, на 24-30% увеличивается продолжительность разгона, автомобиль плохо преодолевает крутые подъемы. - Отмечается также, что затрудняется пуск двигателя.

Сжиженный нефтяной газ на 90-95% представляет собой смесь пропана и бутана с примесью более тяжелых углеводородов. По обеспечиваемым мощностным и экологическим характеристикам двигателей сжиженный нефтяной газ близок к сжатому природному газу. Из устанавливаемых на автомобиле баллонов со сжиженным нефтяным газом (под давлением около 1,6 МПа) газ через испаритель дозируется в двигатель. Основные недостатки этого вида топлива: процесс испарения несколько ухудшает его пусковые свойства, для работы двигателя при низких температурах воздуха требуется установка специальных подогревателей либо пуск и прогрев двигателя производятся с использованием стандартного бензина.

Спирты имеют давнюю традицию применения в двигателях внутреннего сгорания. В настоящее время они в основном используются как топливо для гоночных автомобилей, поскольку увеличивают мощность двигателя при одновременном снижении температуры в камере сгорания. Благодаря более низкой температуре отработавших газов, интенсивному теплоотводу из цилиндров и более полному сгоранию, эффективный КПД двигателя, работающего на спиртах, выше, чем при работе на нефтяном топливе. При использовании спиртов снижается эмиссия продуктов неполного сгорания топлив, уменьшается сажеобразование и тем самым повышается чистота деталей двигателя и топливной аппаратуры. Однако одновременно возрастают выбросы альдегидов, возможно увеличение эмиссии оксидов азота.

Из спиртов преимущественное применение как топливо получили метанол и этанол. Высшие спирты могут служить в качестве стабилизирующих добавок. Метанол и этанол обладают почти вдвое более низкой теплотворной способностью по сравнению с нефтяными топливами, что означает удвоенный расход их для обеспечения одной и той же работы двигателя. Кроме того, спирты гигроскопичны, имеют плохие смазывающие свойства, коррозионно-агрессивны (за счет окисления до соответствующих кислот), плохо совмещаются с конструкционными материалами. Непосредственное их использование требует внесения некоторых изменений в конструкцию двигателя. Обычно низшие спирты используют в качестве добавок к базовому топливу с целью частичной его замены. Однако допустимое количество добавляемых спиртов невелико. Так, ГОСТ Р.51866 и Всемирная топливная хартия вводят следующие количественные ограничения на добавление спиртов в автобензины: метанола - 3% (об.), этанола - 5, других спиртов - 7-10%. Введение спиртов в бензины позволяет повысить их октановые числа. Цетановые числа спиртов, напротив, очень низкие, и с этим связаны серьезные затруднения в применении спиртов в дизельных двигателях. Тем не менее, к проблеме использования спиртов в качестве топлив для дизелей проявляется большой интерес.

Метанол - весьма эффективное топливо для двигателей с принудительным зажиганием благодаря его высокому октановому числу. Метанол может быть использован как самостоятельное топливо, так и в качестве добавки к бензину. Во всех случаях его применение позволяет снизить токсичность выхлопных газов двигателя. Применение 100%-ного метанола ограничивается вследствие его высокой токсичности и агрессивности по отношению к конструкционным материалам. Как показали исследования смесей метанола и углеводородных топлив, в бензин можно вводить до 5% безводного метанола, при этом бензометанольная смесь (БМС) остается гомогенной, если в нее не попадает влага. В бензометанольной смеси может раствориться не более 0,1% (масс.) воды, при больших ее концентрациях смесь расслаивается, причем объем воднометанольной фазы превышает объем добавленной воды. При охлаждении бензометанольная смесь сначала мутнеет, затем расслаивается. Поэтому существует минимальная температура, при которой эта смесь может использоваться в качестве топлива. Для предотвращения расслаивания в бензометанольные смеси вводят в качестве стабилизаторов высшие спирты, например изобутиловый, что, впрочем, помогает мало.

Одной из особенностей метанола, ограничивающих его применение, является способность легко диффундировать через некоторые полимеры, что вызывает необходимость специального подбора материалов для топливопроводов.

Существуют две группы методов, предусматривающих частичную и полную замену нефтяного топлива. При частичной замене метанол подмешивается к топливу в количестве 10-40%. Могут быть использованы готовые метаноло-топливные эмульсии или же метанол в виде паров подается во впускную линию. В последнем случае, правда, увеличиваются выбросы СО и углеводородов. Но есть и преимущество - исключается проблема стабильности метанола, которая возникает при использовании метаноло-топливных смесей. Однако из-за низкой воспламеняемости паров метанола в него приходится вводить до 20% алкилнитратов или оснащать двигатель свечой зажигания. В качестве добавки, повышающей цетановое число метанола, могут быть использованы также диметиловый и диэтиловый эфиры.

Для холодного запуска двигателя при высоком содержании метанола в топливной смеси или пониженных температурах используют электроподогрев воздуха или топливовоздушной смеси, частичную рециркуляцию горячих отработавших газов, добавки к топливу летучих компонентов и другие меры.

Добавки метанола к бензину в целом способствуют улучшению токсических характеристик автомобиля. Например, в исследованиях, выполненных на группе из 14 автомобилей с пробегом от 5 до 120 тыс. км, добавка 10% метанола изменяла выброс углеводородов как в сторону повышения на 41%, так и уменьшения на 26%, что в среднем составило 1% увеличения. Выбросы СО и NO_x при этом уменьшились в среднем соответственно на 38 и 8% для всей группы автомобилей.

В заключение следует отметить, что метанол рассматривается как перспективный источник энергии для топливных элементов, обеспечивающих «нулевой выброс» для использующих их автомобилей. Предполагают, что при серийном производстве топливных элементов стоимость вырабатываемой ими электроэнергии будет приемлемой для массового потребителя.

Этанол в качестве добавки к топливам более эффективен, чем метанол, так как он лучше растворяется в углеводородах и менее гигроскопичен. Широко известно применение газохола (смесь бензина с 10 - 20% этанола) в США, а также в Бразилии, располагающей большими ресурсами спирта, вырабатываемого из сахарного тростника. Вообще, этанол представляет особый интерес в качестве добавки к топливу в странах, богатых растительными ресурсами, например, на Украине. В России ВНИИ НП совместно с АвтоВАЗом проведены испытания автобензинов типа АИ-95 с 5-10% этанола. Показано, что добавка 5% этанола к бензину не ухудшает эксплуатационных характеристик двигателя и не требует предварительной регулировки карбюратора. Что касается экологичности этого топлива, то отмечается существенное снижение выбросов СО и небольшое - углеводородов, эмиссия альдегидов и оксидов азота несколько возрастает. Увеличение концентрации этанола в бензине до 10%, приводящее к обеднению бензовоздушной смеси, ухудшает эксплуатационные характеристики автомобиля практически при всех его режимах работы. Фазовая стабильность этанолотопливных смесей выше, чем метаноло-топливных, но все равно требуется их стабилизация. Наиболее эффективными стабилизаторами являются алифатические спирты С4-C5, сивушные масла, оксиэтилированные ПАВ.

Простые эфиры в качестве топлива имеют то преимущество перед спиртами, что они лучше растворяются в топливах, менее гигроскопичны и менее коррозионно агрессивны. Эфиры традиционно добавляют в автомобильные бензины. В последние годы обозначился интерес к диметоксиметану, диметиловому и диэтиловому эфирам как к компонентам дизельного топлива. В большой степени это объясняется их хорошей воспламеняемостью в двигателе и, следовательно, высокими цетановыми числами.

Диметиловый эфир может непосредственно впрыскиваться в камеру сгорания двигателя или использоваться в качестве добавки к сжиженному газу, метанолу или стандартному дизельному топливу. Для операции впрыскивания диметилового эфира, являющегося при обычных условиях газом, требуется специальная система топливоподачи, поскольку данный эфир обладает плохими смазывающими свойствами, имеет очень низкую вязкость и, подобно всем газам, легко сжимается. При использовании диметилового эфира в качестве добавки к базовому топливу проблема впрыска упрощается, и одновременно решаются другие проблемы. Так, например, диметиловый эфир повышает цетановое число метанола. Как показали испытания, при работе двигателей на диметиловом эфире практически полностью отсутствует сажеобразование. Однако возрастает эмиссия оксидов азота, что требует оборудования двигателя каталитическими нейтрализаторами.

Диэтиловый эфир еще более удобен в применении и эффективен, так как он представляет собой жидкость (хотя и низкокипящую) и его цетановое число превышает 125 (по некоторым сведениям достигает 160). Добавка 10% диэтилового эфира в дизельное топливо повышает его цетановое число в среднем на 4 ед., что позволяет отказаться от применения токсичных и взрывоопасных алкилнитратов.

Биодизельное топливо:

Как известно, биомассой принято обозначать все органические вещества как растительного, так и животного происхождения, источником которых служит ныне существующая биосфера нашей планеты. Биомасса уже давно используется в качестве сырья для производства различного вида топлива, например, горючего газа и этанола (этилового спирта). Таким сырьем служат мусор, пищевые и бытовые отходы, опилки и другие отходы лесной и лесоперерабатывающей индустрии, экскременты сельскохозяйственных животных, солома, излишки зерна и т.п. Для получения метилового эфира к девяти массовым единицам растительного масла добавляется одна массовая единица метанола (т.е. соблюдается соотношение 9:1), а также небольшое количество щелочного катализатора. Все это смешивается в специальных колоннах при температуре 500-800°С и нормальном давлении. В результате химической реакции образуется, в первую очередь, желаемый метиловый эфир, а также побочный продукт - глицерин, широко используемый в фармацевтической и лакокрасочной промышленностях. Полученный эфир отличается хорошей воспламеняемостью, обеспечиваемой высоким цетановым числом. Если для минерального дизтоплива цетановое число 50-52, то цетановое число биодизеля (метиловый эфир) уже 56-58. Это позволяет использовать его в дизельных двигателях без прочих стимулирующих воспламенение веществ. Благодаря такому свойству метиловый эфир, получаемый из растительных масел и жиров, и был назван биодизелем.

Водородное топливо. В современной «нефтяной» экономике производство водорода представляет собой отдельную самостоятельную индустрию. В настоящее время 48% водорода производится из природного газа, 30% из нефти, 18% из угля, 4% посредством электролиза, то есть разложения воды на водород и кислород под действием электрического тока. Множество современных технологий получения водорода, основанных на переработке углеводородных топлив, осуществляются при высоких температурах и весьма далеки от совершенства с точки зрения охраны окружающей среды. Альтернативным методом получения водорода, не связанным с использованием ископаемых топлив, является электролиз, для реализации которого необходима лишь вода и электроэнергия. Однако поскольку электричество намного дороже, чем природный газ, то такой процесс является неэкономичным для крупномасштабного производства. Существенно улучшить экономические показатели этого процесса и сделать его конкурентным с широко применяемыми ныне технологиями переработки органического топлива помогут дальнейшие исследования в области так называемого высокотемпературного электролиза. В качестве дешевого источника электроэнергии, которая требуется для химических процессов получения водорода или высокотемпературного электролиза, может быть использована солнечная энергия. Еще одна чистая технология связана с возможным использованием в производстве водорода ядерной энергии. Наконец, в долгосрочной перспективе наиболее многообещающей технологией может оказаться прямое получение водорода в процессе фотосинтеза. Но это напрямую связано с дальнейшим развитием нанотехнологий.

3. Причины и последствия деградации почв

Большинство исследователей деградационных явлений склоняются к мысли, что все виды деградации условно можно разделить на три группы: физическая, химическая и биологическая. Представленная ниже классификация заимствована из системы GLASOD В.В. Снакиным и другими авторами (2002).

Физическая деградация почвы

Характеризуется нарушением строения почвенного профиля, которое определяется по уменьшению мощности гумусового горизонта. Оно отражает воздействие водной и ветровой эрозии, механическое нарушение почвенного покрова (Снакин и др., 2002).

Другим видом нарушения почвенного профиля являются посторонние наносы, ухудшающие продукционную функцию почвы. При этом степень деградации почвы зависит от мощности абиотического наноса.

Насыщение почвенного профиля влагой способствует проявлению признаков гидроморфизма и приводит к формированию гидроморфных почв. Среди причин, вызывающих процесс вторичного заболачивания, основной является повышение уровня грунтовых вод. Поскольку заболачивание приводит не только к изменению водно-физических свойств, но и к изменению физико-химических параметров, в качестве индикатора заболачивания В.В. Снакин и соавторы предлагают использовать снижение, по сравнению с нормой, величины окислительно-восстановительного потенциала почвы на глубине 15-20 см (Снакин и др., 2002). Говоря о таких глубинах, авторы скорее всего имели в виду мощность почвенного профиля, используемого в сельском хозяйстве.

Химическая деградация почвы

Истощение почвы в результате нерационального использования в сельскохозяйственном производстве может привести к существенному снижению ее плодородия. Этот процесс отражается в первую очередь снижением содержания питательных элементов (NPK).

Процесс снижения содержания гумуса, который происходит вследствие неумеренного использования земель, также свидетельствует о деградации почвы. Однако ввиду того, что при распахивании целинной почвы происходит резкое скачкообразное изменение этого показателя, и в дальнейшем он колеблется в зависимости от внесенных органических удобрений и вида возделываемой культуры, установление эталонных значений содержания гумуса для агропочв затруднено.

Содержание легкорастворимых солей отражает процесс вторичного засоления. Показателем процесса вторичного осолонцевания является увеличение содержание обменного натрия в ППК, а критерием деградации почвы - увеличение его доли в составе обменных катионов.

Снижение величины ОВП почвы, обычно вследствие орошения, может привезти к уменьшению продуктивности экосистемы. ОВП - количественный показатель окислительно-восстановительного потенциала почвы, отражающий совокупность химических и физико-химических показателей почвы. Его уровень определяет преобладание окислительных или восстановительных процессов в почве.

Загрязнение почвенного покрова различными токсичными веществами является причиной снижения, как количества, так и качества урожая. Для экотоксиологической оценки земель используют показатель предельно допустимой концентрации загрязняющего вещества (ТМ, пестициды, и др.) в почве. Степень загрязнения почвы по кратности превышения величины ПДК целесообразно дифференцировать в соответствии со степенью токсичности анализируемого поллютанта.

Биологическая деградация

Почвенные организмы играют ключевую роль в круговороте питательных веществ, разложении остатков в почве, детоксикации загрязнителей и подавлении патогенных форм микроорганизмов.

Микробиологические тесты, являющиеся раннедиагностическими, позволяют за короткое время, даже при незначительных изменениях окружающей среды, оценить отклонения в функционировании почвенной системы и поэтому могут служить показателями степени деградации почвы. Уровень активной микробной биомассы (это масса живых микроорганизмов в почве) является информативным показателем состояния почвенной микробиоты.

Биологическое загрязнение почв может характеризовать показатель, отражающий содержание патогенных форм микроорганизмов, т.е. их доли от общего пула микроорганизмов.

Показателем состояния почвенной биоты, который зависит от суммарного загрязнения почвы, содержания фитопатогенных и токсикогенных микроорганизмов, является фитотоксичность почвы.

Кроме нее следует выделить генотоксичность почвы - ее способность влиять на структурно-функциональное состояние генетического аппарата почвенной биоты, включая микроорганизмы, растительность, почвенную фауну. На примере пестицидов прослеживается четкое влияние вносимых в почву веществ - мутагенов на здоровье населения: повышенная заболеваемость, обусловленная вновь возникающими мутациями в клетках человека или патологической реакцией на экзогенетические факторы. Мутагенное действие показывают 80% пестицидов, испытанных на клетках млекопитающих (Снакин и др., 2002).

Другой способ выделения групп деградаций почв предлагают Г.В. Добровольский, В.Д. Васильевская и др. авторы (Деградация…, 2002). Они считают, что на сегодняшний день в качестве причин возникновения процессов деградации почвы выделяются 2 основных фактора: антропогенный (агрогенный и техногенный) и природный.

М.Н. Заславским еще в начале 30-х годов прошлого века было сформулировано понятие «почворазрушающие процессы» - процессы и явления, снижающие плодородие почв, ухудшающие условия сельскохозяйственного использования земель, увеличивающие эрозионную опасность и интенсивность эрозии, разрушающие почвенный покров. Хотя эти слова относились автором только к эрозии почв, можно считать их предпосылкой зарождения представлений о деградации почв.

Были выделены процессы, проявление которых не может быть предотвращено человеком, т.е. природные, и которые могут вести к деградации почв и нарушениям или уничтожению почвенного покрова. Это землетрясения, извержения вулканов, различные склоновые процессы и т.п. Лесные пожары. Вместе с лесом уничтожается лесная подстилка и трава. Действие огня распространяется на гумусовый слой почвы, происходит деградация лесных почв. Пожары на осушенных торфяных почвах. На пастбищах и пахотных массивах выгорает полностью органический слой почвы.

Процессы, интенсивность которых в большей или меньшей степени определяется антропогенным фактором: оползни, сели, эрозия почв, дефляция, пирогенная деградация и др. и вызываемые антропогенными факторами: термокарст, вторичное засоление, пересушка торфяников и т.д.

Техногенные процессы: загрязнение почв токсическими веществами, затопление плодородных почв при строительстве водохранилищ, нарушения почв при геологоразведочных работах и эксплуатации месторождений полезных ископаемых, дегумификация пахотных почв и многие другие. (Деградация…, 2002) Лесозаготовки. Повреждаются и уничтожаются подлесок, травянистый покров, подстилка и верхний гумусовый слой почвы. Особенно большой вред почве наносят тракторные волоки и транспортировка леса по временным дорогам. Раскорчевка леса. Вместе с корнями деревьев из почвы выносится большое количество гумуса.

Деградация почвы включает процессы эрозии, сопровождается изменениями почвенной флоры и фауны, снижением плодородия, неблагоприятными изменениями в напочвенном растительном покрове, формированием бесплодных, пустынных земель. Различают также, ветровую (дефляционную), ледниковую, оползневую, речную, биологическую и другие виды эрозии.

К эрозии почв нередко относят и всевозможные явления, снижающие плодородие почв и разрушающие почвенный покров, вызываемые антропогенными факторами:

Переувлажнение и заболачивание (совокупность явлений, возникающих в почве при постоянном увлажнении).

Опустынивание - это уменьшение или уничтожение биологического потенциала земельного пространства, сопровождающееся сокращением его водных ресурсов, исчезновением сплошного растительного покрова, обеднением и перестройкой фауны и возникновением других условий, близких или аналогичных условиям пустыни.

Общими факторами, приводящими к опустыниванию земли, являются:

Деградация растительного покрова и сопутствующая ей эрозия почв в результате чрезмерного выпаса скота;

Усиление эрозии и дефляции засушливых земель при их интенсивном и нерациональном использовании;

Отсутствие рациональных соотношений между земледелием и животноводством;

Уничтожение растительного покрова при заготовке топлива;

Разрушение растительного и почвенного покрова при дорожном и индустриальном строительстве, геолого-разведочных работах, разработке полезных ископаемых и т.п.;

Вторичное засоление, подщелачивание и подтопление орошаемых земель.

Ущерб от эрозии почв характеризуется следующими показателями. На слабоэродированных черноземах Русской равнины снижение толщины гумусового горизонта почвы на 1 см уменьшает урожай зерновых приблизительно на 1 ц/га. Полная и повсеместная компенсация потерь гумуса невыполнима из-за недостатка органических удобрений (а если была бы возможна, обошлась бы в миллиарды рублей в год). С эрозией ежегодно теряется в 1,5 раза больше питательных веществ, чем вносится в виде минеральных удобрений. Смывается 30-50% объема этих удобрений.

Экологический ущерб причиняется искажением потоков твердого и растворенного вещества в ландшафтах (заиление рек и озер, заморы рыбы в водоемах и т.п.), а вне непосредственного контакта с эродируемыми землями - множественными нарушениями природной среды при добыче, переработке и перевозке минеральных удобрений.

Одной из причин сокращения площади обрабатываемых земель является интенсивная водная и ветровая эрозия, обусловленная ростом масштабов влияния антропогенного фактора на почвы. Эрозия почв стала бичом земледелия, несмотря на меры по ее ограничению. В странах Западной Европы эрозией охвачено 50 - 60% территории, в США до 75% всех земель. Разрушение почвы проявляется в ее смывах и размывах, в образовании ручьев, оврагов, пыльных бурь и в других отрицательных явлениях. Водной эрозии подвержено 31% суши, ветровой - 34%. Ежегодный смыв почвы с поверхности Земли достигает 134 т/км?, в Мировой океан смывается до 60 млрд. т почвенного покрова.

В России (если принять во внимание, что смыв почвы с 1 га равен 30 т) годовая потеря почвы достигает 4,5 млрд. т. Разрушительные свойства ветровой эрозии наблюдаются на юге Украины, в Казахстане, Нижнем Поволжье, в равнинных областях Северного Кавказа, в Средней Азии, Бурятии, Башкирии, Хакасии.

В России осуществляется комплекс мероприятий по применению агротехнических, лесомелиоративных и гидротехнических средств по защите почв от водной и ветровой эрозии. Хорошо зарекомендовали себя и получили распространение почвозащитные севообороты с полосным размещением посевов и паров, залужение сильно эродированных земель, создание буферных полос из многолетних трав, снегозадержание, закрепление и облесение песков, выращивание полезащитных лесных полос и др.

В настоящее время процесс деградации охватывает 20% всех возделываемых земель, 30% площади лесов и 10% площади лугов.

Согласно имеющимся оценкам, 1,5 млрд. человек, - а это четвертая часть населения Земли - самым непосредственным образом зависят от земель, которые постоянно деградируют.

По мнению руководящих сотрудников ФАО, деградация земель имеет важное значение с точки зрения провоцирования изменений климата и приспособляемости к ним, поскольку потеря биомассы и органического вещества почв высвобождает в атмосферу углекислый газ и оказывает влияние на качество почв и их способность удерживать воду и питательные вещества.

Полученные данные относительно деградации земель в глобальном масштабе - это часть совместного исследования ФАО, Экологической программы ООН и Всемирного центра информации о состоянии почв, получившего наименование «Оценка деградации земель в засушливых районах».

Данные свидетельствуют, что, несмотря на решимость 193 стран, которые ратифицировали итоговые документы Конференции ООН 1994 года о борьбе с наступлением пустынь, процесс деградация земель скорее обостряется, чем замедляется.

4. Основные направления инженерной экологической защиты окружающей среды

природоохранный деградация почва защита

Главная причина загрязнения биосферы - это ресурсоемкие и загрязняющие технологии переработки и использования сырья, которые приводят к огромному накоплению отходов и к необходимости защиты всех природных сфер.

В России в связи со спадом промышленного производства в 90-х гг. XX в. отмечается некоторое сокращение антропогенной нагрузки на окружающую природную среду. Однако одновременно прослеживается и снижение как капитальных вложений в объекты природоохранного назначения, так и текущих затрат. По некоторым оценкам, тот поток загрязнений, который сегодня принимает наша природа, превосходит ассимиляционный потенциал экосистем в наиболее развитых и заселенных районах России, поэтому экологическая ситуация в них не улучшается. Состояние экологической безопасности России вызывает тревогу. Экологическая ситуация в России становится препятствием на пути устойчивого социально-экономического развития страны.

Основные направления инженерной защиты окружающей природной среды от загрязнения и других видов антропогенных воздействий - внедрение ресурсосберегающих, безотходных и малоотходных технологий, биотехнологий, технологий утилизации и детоксикации отходов. Однако главное направление заключается в экологизации производства, при которой обеспечивалось бы включение всех видов взаимодействия с окружающей средой в естественные циклы круговорота веществ. Технологические процессы, в которых в полной мере учитываются все взаимодействия с окружающей средой и приняты меры к предотвращению отрицательных последствий, называются экологизированными. Подобно любой экологической системе, где вещество и энергия расходуются экономно и отходы одних организмов служат важным условием существования других, производственный экологизированный процесс, управляемый человеком, должен следовать биосферным законам, и в первую очередь закону круговорота веществ.

В соответствии с определением Комиссии ООН в 1984 г. безотходная технология - это такой способ производства продукции (процесс, предприятие, территориально-производственный комплекс), при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье и энергия в цикле сырьевые ресурсы - производство - потребитель - вторичные ресурсы, в результате чего любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования. К тому же безотходная технология - это такой способ производства, который обеспечивает максимально полное использование перерабатываемого сырья и образующихся при этом отходов. Более точным следует считать термин «малоотходная технология», так как абсолютно «безотходная технология» в принципе невозможна, ибо противоречит второму началу термодинамики, позволяющую получить минимум твердых, жидких и газообразных отходов. Малоотходной называют технологию, и на современном этапе развития научно-технического прогресса она является наиболее реальной.

Огромное значение для снижения уровня загрязнения окружающей среды, экономии сырья и энергии имеет повторное использование материальных ресурсов, или рециркуляция. Так, производство алюминия из металлолома требует всего 5% энергозатрат при выплавке его из бокситов и экономит 4 т бокситов и 700 кг кокса при одновременном снижении выбросов фтористых соединений в атмосферу на 35 кг.

В комплекс мероприятий по сокращению количества вредных отходов и уменьшению их воздействия на окружающую природную среду входят:

разработка бессточных и водооборотных технологических систем;

разработка систем переработки отходов производства во вторичные материальные ресурсы;

создание и выпуск новых видов продукции с учетом требований повторного ее использования;

создание принципиально новых производственных процессов, позволяющих исключить или сократить технологические стадии, на которых происходит образование отходов.

Начальным этапом этих комплексных мероприятий, направленных на создание безотходных и малоотходных технологий, является внедрение оборотных, вплоть до полностью замкнутых, систем водопользования. Оборотное водоснабжение - это техническая система, при которой предусмотрено многократное использование в производстве отработанных вод после их очистки и обработки при очень ограниченном их сбросе (до 3%) в водные объекты. Замкнутый цикл водопользования - это система промышленного водоснабжения, в которой многократное использование воды в одном и том же производственном процессе осуществляется без сброса сточных и других вод в природные водные объекты.

Одним из важнейших направлений в области создания безотходных и малоотходных производств является переход на новые экологические технологии с заменой водоемких процессов безводными или маловодными.

Прогрессивность новых технологических схем водоснабжения определяется тем, насколько в них уменьшились по сравнению с ранее действующими водопотребление и количество сточных вод, а также их загрязненность. Наличие большого количества сточных вод на промышленном объекте считается объективным показателем несовершенства используемых технологических схем.

В последние годы все больший интерес проявляется к биотехническим процессам, основанным на создании необходимых для человека продуктов, явлений и эффектов с помощью микроорганизмов. Биотехнология может рассматриваться как разработка и создание биологических объектов, микробных культур, сообществ, их метаболитов и препаратов путем включения их в естественные круговороты веществ, элементов, энергии и информации. Биотехнология нашла широкое применение в охране природной среды, в частности при решении следующих прикладных вопросов:

- обработка твердой фазы сточных вод и твердых бытовых отходов с помощью анаэробного сбраживания;

- биологическая (биохимическая) очистка природных и сточных вод от органических и неорганических соединений;

- микробное восстановление загрязненных почв, получение микроорганизмов, способных нейтрализовать тяжелые металлы в осадках сточных вод;

- компостирование (биологическое окисление) отходов растительности (опад листьев, соломы и др.);

- создание биологически активного сорбирующего материала для очистки загрязненного воздуха.

5. Особо охраняемые природные территории

Важную роль в сохранении биологического разнообразия России играет сеть особо охраняемых природных территорий (ООПТ). Особо охраняемые природные территории - это участки земли, водной поверхности и воздушного пространства над ними, где располагаются природные комплексы и объекты, которые имеют особое природоохранное, научное, культурное, эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение, изъятые решениями органов государственной власти полностью или частично из хозяйственного использования и для которых установлен режим особой охраны.

В соответствии с Законом Российской Федерации «Об особо охраняемых природных территориях» (1995 г.) с учетом статуса и особенностей режима природопользования на указанных территориях выделяют следующие категории ООПТ:

1. государственные природные заповедники, в том числе биосферные;

2. национальные парки;

3. природные парки;

4. государственные природные заказники;

5. памятники природы;

6. дендрологические парки и ботанические сады;

7. лечебно-оздоровительные местности и курорты.

Особо охраняемые природные территории могут иметь федеральное, региональное и местное значение. Территории заповедников и национальных парков относятся к ООПТ федерального значения. Территории государственных заказников, памятников природы, дендрологических парков и ботанических садов, лечебно-оздоровительных местностей и курортов могут быть отнесены либо к ООПТ федерального, либо регионального значения. Природные парки имеют статус ООПТ регионального значения, а лечебно-оздоровительные местности могут объявляться ООПТ местного значения.

Решение об организации ООПТ федерального значения принимает Правительство Российской Федерации, регионального значения - органы исполнительной власти субъектов Российской Федерации, это администрации краев, областей, автономных округов, Правительства республик в составе Российской Федерации. Особо охраняемые территории местного значения образуются по решениям органов местного самоуправления, например администрацией районов.

Органы исполнительной власти субъектов Российской Федерации и органы местного самоуправления могут устанавливать дополнительно иные виды ООПТ регионального и местного значения.

Заповедники Согласно российскому законодательству заповедники являются природоохранными, научно-исследовательскими, эколого-просветительскими учреждениями, имеющими целью сохранение и изучение естественного хода природных процессов и явлений, генетического фонда растительного и животного мира, отдельных видов и сообществ растений и животных, типичных и уникальных экологических систем. Федеральная система заповедников формировалась в течение 80 лет и насчитывает в настоящее время 100 заповедников общей площадью 33,257 млн. га, что составляет 1,56% от всей площади России. Система российских государственных природных заповедников признана в мире. Из российских заповедников 22 имеют международный статус биосферных резерватов (им выданы соответствующие сертификаты ЮНЕСКО).

Памятники природы

Памятниками природы объявляются отдельные уникальные природные объекты и комплексы, имеющие реликтовое, научное, историческое, эколого-просветительское значение и нуждающиеся в особой охране государства. Основной целью объявления природных комплексов и объектов памятниками природы является сохранение их в естественном состоянии. По статусу памятники природы могут быть как федерального, так и регионального значения.

В России 29 памятников природы федерального значения, которые занимают площадь 15,5 тыс. га и расположены большей частью в европейской части страны. Число памятников природы регионального значения насчитывает несколько тысяч. В основном это пещеры, гейзеры, палеонтологические объекты, отдельные вековые деревья и т.д.

Курорты и лечебно-оздоровительные местности Лечебно-оздоровительная местность - территория, обладающая природными лечебными ресурсами и пригодная для организации лечения и профилактики заболеваний, а также отдыха населения. Курорт - освоенная и используемая в лечебно-профилактических целях особо охраняемая природная территория, располагающая природными лечебными ресурсами и объектами, необходимыми для их эксплуатации. С целью сохранения природных свойств и лечебных средств курортных и лечебно-оздоровительных зон, предотвращения их от порчи, загрязнения и преждевременного истощения устанавливаются округа санитарной охраны, в пределах которых запрещается проведение работ, загрязняющих почву, водные источники, воздух, причиняющих вред лесам и отрицательно влияющих на лечебные свойства и санитарное состояние ООПТ.

Лечебно-оздоровительные местности могут иметь федеральное, региональное и местное значение. Проблемы, связанные с охраной окружающей среды, были и остаются одними из самых острых проблем во всех странах мира. Однако только в конце XX века, исходя из понимания того факта, что Человек является таким же живым существом, как и другие биологические виды, была осознана зависимость благополучия человеческого общества от устойчивости и сохранности биологического и ландшафтного разнообразия на планете Земля. Принятие в 1993 году в Рио-де-Жанейро Конвенции о биологическом разнообразии является ярким подтверждением вышесказанного. Российская Федерация присоединилась к данной Конвенции в 1995 году.

Формирование сети ООПТ Пермского края по сути началось в 1911 году с опубликования П.В. Сюзевым в Записках Уральского общества любителей естествознания статьи «Охрана памятников природы». Уже в 1923 г. Он сформулировал ботанико-географические основы выделения памятников природы. На последующем этапе несомненны заслуги в формировании сети ООПТ: Э.Э. Аникиной, Л.В. Баньковского, Т.П. Белковской, К.А. Горбуновой, В.И. Маковского, Г.А. Максимовича, С.А. Мамаева, А.К. Шарца и других.

Современная система ООПТ края начала формироваться с 80-х годов 20-го столетия. Научная составляющая была подготовлена учеными географического и биологического факультетов Пермского государственного университета (Г.А. Воронов, С.А. Овеснов, А.И. Шепель и другие). Наибольший вклад несомненно внесли сотрудники кафедры биогеоценологии и охраны природы под руководством Г.А. Воронова. Правовая основа существующих ООПТ подготовлена краевыми органами охраны природы, которыми долгие годы руководил В.В. Казанцев.

В настоящее время ООПТ на территории Пермского края представлены федеральными, региональными и местными объектами (таблицы 1-3). Федеральные ООПТ - государственные природные заповедники «Басеги» и «Вишерский». 282 ныне существующих ООПТ регионального значения представлены государственными природными заказниками (20 штук), памятниками природы (114), историко-природными комплексами и объектами (5), природными резерватами (46) и охраняемыми ландшафтами (97). На территории края имеется также 51 ООПТ местного значения.

Государственное управление и государственный контроль в области организации и функционирования ООПТ регионального значения регламентируется:

Федеральным законом от 14 марта 1995 №33-ФЗ «Об особо охраняемых природных территориях»;