Основы экологии Красноярский государственный медицинский университет им. В.Ф. Войно-Ясенецкого Кафедра Биологии с экологией и курсом фармакогнозии Антропогенные ландшафты Лекция 4 (28) для специальности – «Медицинская кибернетика» (очная форма обучения) к.б.н. Ирина Григорьевна Ермакова Красноярск 2013

ПЛАН ЛЕКЦИИ 1.Понятие геосистемы 2.Антропогенные экосистемы 3.Антропогенные геосистемы 4.Антропогенные изменения ландшафта 5.Проблемы устойчивости геосистем

Понятие геосистемы Геосистема представляет собой географическое единство, образованное природными компонентами: литосферой, гидросферой, атмосферой, биотой, почвой. Также в качестве особых компонентов выделяют рельеф и климат.

Выделяют три главных уровня организации геосистем: планетарный, региональный, локальный (топический).

Гл - глобальный уровень, Р - региональный уровень, Л - локальный уровень. Схема иерархии геосистем. ГлЭпигеосфера Ландшафтные зоны, страны, области Р Ландшафтная провинция Ландшафтный округ Ландшафт Виды Классы Типы Местность Виды Классы Типы ЛУрочище Виды Классы Типы Фация Виды Классы Типы

Планетарный уровень Эпигеосфера – наружная земная оболочка. Региональный уровень – крупные и достаточно сложные по строению структурные подразделения эпигеосферы: ландшафтные зоны. Локальный уровень – относительно простые природные территориальные комплексы: ландшафт, урочище, местность, фация.

Геосистемы относятся к категории открытых систем – они пронизаны потоками энергии и вещества, связывающими их с внешней средой. В геосистемах происходит непрерывный обмен и преобразование вещества и энергии.

Важнейшее свойство геосистем – целостность. Целостность геосистемы проявляется в ее относительной автономности и устойчивости к внешним воздействиям, в наличии объективных естественных границ, большей тесноте внутренних связей, по сравнению с внешними.

Функционирование геосистемы Вся совокупность процессов перемещения, обмена и трансформации энергии, вещества и информации в геосистеме. Осуществляется по законам механики, физики, химии, биологии. Слагается из трансформации солнечной энергии, влагооборота, геохимического круговорота, биологического метаболизма и механического перемещения.

Фация Наименьший природный территориальный комплекс, на всем протяжении которого сохраняется один литологический состав пород, одинаковый характер рельефа, увлажнения, один микроклимат, одна почвенная разность и один биоценоз.

Ландшафт Природный территориальный комплекс, состоящий из взаимодействующих природных или природных и антропогенных компонентов, а также комплексов более низкого таксономического ранга. Характеризуется единством геологической платформы, климата и истории развития. – Название геохора является синонимом.

Антропогенные экосистемы

Агроценоз Агроценоз биогеоценоз, созданный человеком (искусственная экосистема). Обладает определённым видовым составом и определёнными взаимоотношениями между компонентами окружающей среды. Высокая продуктивность обеспечивается интенсивной технологией подбора высокоурожайных растений, удобрений.

При создании агроценозов человек применяет комплекс агротехнических приём ов: – различные способы обработки почвы – мелиорацию (при избыточном увлажнении почвы), – искусственное орошение, – посев высокоурожайных сортов растений, – подкормку, – борьбу с сорняками, вредителями и болезнями растений.

Искусственные экосистемы отличаются от природных по многим параметрам 1.разным направлением отбора 2.источниками используемой энергии 3.резко сниженным видовым разнообразием живых организмов 4.разным балансом питательных элементов

Агроценозы занимают примерно 10 % всей поверхности суши (около 1,2 млрд га) и дают человечеству около 90 % пищевой энергии. Их преимущества по сравнению с естественными экосистемами заключается в неограниченных потенциальных возможностях увеличения продуктивности. Однако их реализация возможна только при постоянном, научно обоснованном уходе за почвой, обеспечении растений влагой и элементами минерального питания, охране растений от неблагоприятных абиотических и биотических факторов.

Урбоценоз Экосистема, движимая топливом, называемая также индустриально- городской. Энергия топлива в ней полностью заменяет солнечную энергию. Её характеризует огромная потребность в энергии (на два – три порядка больше, чем в природных экосистемах)

Взаимодействие города и природной среды (на примере г. Барселоны) - качественная модель типа "затраты - выпуск" [Н.Ф. Винокурова и др., 1994]

Проблемы урбанизированных территорий Крупные города, а тем более, городские агломерации оказывают влияние на окружающую среду на расстоянии в 50 раз большем, чем их собственный радиус. огромная концентрация техногенных нагрузок, необратимое нарушение водно-земельного обмена, примитивность и низкой биопродуктивность приводят к тому, что даже в озелененных благоустроенных поселениях сила и скорость антропогенных воздействий всегда превышают темпы адаптации к этим воздействиям природной среды.

Карта светимости урбанизированных территорий в ночное время, составленная по снимкам Земли из космоса (Sciences et Avenir, декабрь 2000, стр. 20)

Антропогенный ландшафт ландшафт, изменённый человеком.

На Земле сохранилось мало естественных природных ландшафтов, так как большинство их изменены хозяйственной деятельностью людей. Люди воздействуют на рельеф, гидрографию, растительный и животный мир, существенно изменяя, а иногда и полностью преобразуя естественные природные ландшафты

Происходит неуклонный рост антропогенных ландшафтов, наиболее быстрыми темпами увеличиваются городские ландшафты.

Антропогенные ландшафты весьма разнообразны – это поля, сады, парки, полезащитные лесополосы, пруды, водохранилища и каналы, транспортные магистрали, карьеры и свалки, деревни, села, города, промышленные агломерации.

По степени изменения природных ландшафтов хозяйственной деятельностью их можно подразделить на шесть основных групп.

1.Практически неизменённые – ледники, полярные, высокогорные и очень сухие пустыни, неэксплуатируемые леса и луга (в том числе заповедники) т.е. неосвоенные или сознательно сохраняемые человеком ландшафты; 2.Слабо изменённые, в которых основные природные связи не нарушены – рационально эксплуатируемые леса, естественные луга, пастбища, водоёмы и национальные парки. 3.Нарушенные – возникшие в результате длительного нерационального использования природных ресурсов.

4.Сильно нарушенные, – возникшие по тем же причинам, что и ландшафты третьей группы, но чаще всего в условиях неустойчивого равновесия природных процессов (вторичное засоление и заболачивание, подвижные пески, заброшенные горные выработки). 5.Преобразованные, или культурные – поля, сады, плантации многолетних культур, сеянные луга, лесонасаждения, природные лесопарки. – В этих ландшафтах природные связи в той или иной степени целенаправленно изменены. – Они постоянно поддерживаются человеком 6.Искусственные ландшафты.

Таким образом, биосфера включает в качестве элементарных единиц естественные и искусственные экосистемы, тесно взаимосвязанные и взаимодействующие как единое целое.

Антропогенные факторы Переделывая природу и приспосабливая её к своим потребностям, человек изменяет среду обитания животных и растений, влияя тем самым на их жизнь

Воздействие может быть косвенным и прямым. Косвенное воздействие осуществляется путём изменения компонентов ландшафта климата, физического состояния и химизма атмосферы и водоёмов, строения поверхности земли, почв, растительности и животного населения.

Загрязнение биосферы Поступление в природную среду веществ, биологических агентов и различных видов энергии в количествах и концентрациях, превышающих естественный для нее уровень. К загрязняющим факторам относятся все тела и воздействия на биосферу, которые не включаются в естественные трофические цепи и не свойственны живой природе.

По источникам и видам загрязняющих веществ загрязнения делятся на механические, физические, химические, биологические и биотические.

Механические загрязнения Мусор это тела, не растворимые в воде, химически относительно инертные и занимающие площади на поверхности Земли территории или акватории. В природе мусор не образуется. – Мусор появился только как результат существования – бытовые отходы и хозяйственной деятельности человека - промышленные отходы.

Физические загрязнения Проявляются в отклонении от нормы физических свойств окружающей среды. В основном это разнообразные излучения: звуковые волны (шумы и вибрации, превышающие естественный фон), различные виды электромагнитного излучения: радиоактивное, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое (свет), инфракрасное (тепло), микроволновое, а также радиоволны; источниками электромагнитного загрязнения являются и высоковольтные линии электропередачи (ЛЭП).

Химические загрязнения Все растворимые (или малорастворимые) в воде вещества, не входящие в естественные трофические цепи.

Неорганические загрязнения это катионы тяжелых металлов (главным образом ртути, кадмия и свинца) и анионы нитраты (растворимые соли азотной кислоты) и арсенаты (соединения мышьяка), а также газы угарный, углекислый, оксиды серы и азота. Органические загрязняющие вещества – нефть, нефтепродукты, фторхлорорганические соединения.

Биологические загрязнения Привнесение в экосистему и размножение там чуждых ей видов организмов; – чаще всего это болезнетворные и паразитарные микроорганизмы и вирусы, как существовавшие в минувшие века (чума, холера, бешенство и т.п.), так и появившиеся в последние годы (СПИД, атипичная пневмония, коровье бешенство, птичий грипп).

Биотические загрязнения Пищевые отходы, нечистоты, отмершие организмы, а также животные экскременты отходы ферм и птицефабрик. С талыми водами биотические загрязнения попадают в водохранилища.

По масштабу воздействия на окружающую среду Локальные – предприятие, район города или сельской местности. Региональные – крупный город вместе с прилегающей к нему областью. Трансграничные – в ходят за границы государств или регионов Глобальные – общепланетарные.

Антропогенные изменения ландшафтов

Нарушения гравитационного равновесия Вызываются механическими перемещениями масс в геосистемах. Перераспределение литосферного материала происходит при добыче полезных ископаемых и земляных работах.

Угольный разрез

Ежегодно количество извлекаемого твёрдого вещества составляет т, при этом происходят изменения мезорельефа. Терриконы могут достигать высоты 300 м, занимая десятки гектар площади, отвалы имеют высоту м, длину до 1,5 - 2 км, карьеры глубиной 500 – 800 м также занимают площади в десятки квадратных километров

Побочный эффект затрагивает ещё большие площади, на них нарушается влагооборот и водный баланс. В частности, вследствие дренирующего воздействия карьеров подземные воды истощаются на площади в десятки и сотни раз большей, чем сами карьеры.

Для городских территорий более характерно выравнивание рельефа, при этом достаточно часто практикуется создание искусственного намывного грунта.

Голландия

Однако масштабы техногенного перемещения вещества на порядок уступают механической переработке почвы. Рыхление, переворачивание, перемешивание затрагивают т почвы на одной десятой части суши. В результате происходит нарушение гравитационного равновесия в пахотном слое и развитие вторичных гравигенных процессов – смыва, эрозии, дефляции. На Земле эрозии подвергается не менее 6 – 7 млн км 2. Во многих ландшафтах для этого достаточно свести растительный покров, причём особенно чувствительны горные ландшафты. Следует отметить, что гравигенные процессы техногенного происхождения практически необратимы.

Изменения влагооборота и водного баланса. На искусственное орошение уходит не менее 3/4 забираемой из рек воды. В мире орошается примерно 2,2 млн. км 2, что составляет 1,5 % площади суши. Основной положительный ожидаемый эффект – производство полезной биомассы. Но при этом затрагиваются другие звенья функционирования геосистемы и появляются побочные нарушения.

Интенсивная фильтрация воды приводит к поднятию уровня минерализованных грунтовых вод и вторичному засолению почв, а иногда к заболачиванию

В условиях избыточного увлажнения широко практикуются осушительные мелиорации, влияние которых на сток неоднозначно и не до конца изучено. В некоторых ландшафтах осушение приводит к «пересушке», как это случилось в Белорусском Полесье

Нарушает влагооборот гидротехническое строительство, в особенности создание водохранилищ. Непосредственный эффект выражается в замене наземных геосистем водными примерно на 0,3% площади суши. Вторичные процессы при этом – размыв и разрушение берегов, подпор грунтовых вод, повышение их уровня и заболачивание на прилегающих участках и некоторое изменение местного климата (выравнивание температурного режима, увеличение влажности воздуха и др.), практически ощущаемое на расстоянии до 1–3 км от берегов.

Забор воды из водохранилищ и рек на орошение и другие хозяйственные нужды приводит к иссяканию речного стока и падению уровней и даже пересыханию естественных водоприемников – внутренних водоемов. Судьба Аральского моря – наиболее наглядный тому пример.

Техногенная миграция химических элементов Большинство из них вводится в геохимический круговорот непреднамеренно – в составе производственных отходов, твёрдого мусора. Первое место в техногенном круговороте занимает в составе углерод, за ним идут Са, Fe, Al, CI, Na, S, N, Р, К и др.

Многие из этих элементов начинают миграцию в воздушной среде. Из-за подвижности воздушной среды атмосферные загрязнения способны распространяться на тысячи километров, лишь крупные частицы осаждаются на относительно небольшом расстоянии от источника выбросов.

Часть воздушных мигрантов попадает в почву, растворяется в подземных и поверхностных водах, вовлекается в пищевые цепи.

Изменение теплового баланса земной поверхности и атмосферы Техногенные энергетические факторы: 1) преобразование подстилающей поверхности 2) поступление тепла в атмосферу в результате производства энергии; 3) увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере; 4) увеличение содержания аэрозоля в атмосфере (т. е. ее запыление).

Наиболее очевидный тепловой эффект техногенных воздействий проявляется в крупных городах, где действуют все четыре группы факторов, причем определяющее значение имеет непосредственный выброс тепла. В больших городах средняя годовая температура воздуха на 1–2 °С выше, чем в окрестностях, а зимой превышение может достигать 6–7 °С. Заметные изменения местного климата наблюдаются в оазисах, менее существенные – вблизи водохранилищ, на месте осушенных болот и т. д.

Проблемы устойчивости геосистем

Устойчивость рассматривается к каждому фактору в отдельности. В каждой конкретной ситуации есть и порог устойчивости и стабилизирующие факторы. Довольно часто роль одного и того же фактора бывает неоднозначной или даже противоречивой. – Например, ветер и интенсивный сток противодействуют локальному химическому загрязнению, но благоприятствуют эрозии.

Критерии устойчивости к химическим и механическим воздействиям в значительной степени исключают друг друга. Даже растительный покров может играть отрицательную роль, т. к. накапливает вредные соединения и элементы.

Устойчивость к биохимически активным техногенным веществам определяется условиями разложения. – Условия разложения зависят от солнечной радиации (особенно УФ), от гидротермического режима почв, от активности микроорганизмов в почве, от окислительно-восстановительных и щелочных характеристик почвы и воды.

Интенсивность выноса зависит от величины стока, уклона, ветрового режима (скорость, направление), дренированности территории. Эрозионная устойчивость зависит от расчленённости рельефа, интенсивности снеготаяния, физических свойств почвы, грунта. Устойчивость к рекреационным нагрузкам зависит от устойчивости напочвенного покрова к вытаптыванию, древостоя – к загрязнению воздуха.

Скорость самоочищения геосистем в России увеличивается с севера на юг. Но! Многие структурные части ландшафтов могут играть роль барьеров или способствовать накоплению загрязняющих веществ, поэтому локальные закономерности более сложны

Тундровые ландшафты очень неустойчивы к техногенным нагрузкам. – Дефицит тепла приводит к медленной самоочищаемости, а вечная мерзлота является препятствием инфильтрации. – Растительный покров легко разрушается при механическом воздействии и очень чувствителен к сернистому ангидриду.

Таёжные ландшафты в целом более устойчивы, чем тундровые благодаря большей теплообеспеченности и мощному лесному покрову. Отрицательную роль играет замедленный биогеохимический круговорот, слабая активность микроорганизмов, часто встречающаяся сильная заболоченность.

Пустынные ландшафты благодаря интенсивной солнечной радиации могут быстро очищаться от органического загрязнения, но вынос продуктов техногенного воздействия резко замедлен из-за недостатка влаги. Растительность пустыни устойчива к тяжёлым металлам и накапливает их. В то же время эти ландшафты очень неустойчивы к механическим нагрузкам и ирригации из-за сильной минерализации почв.

Как бы сильно ни был изменен ландшафт человеком и насколько бы ни был насыщен результатами человеческого труда, он остается природной системой и продолжает функционировать по природным законам, которые человек отменить не в состоянии. Даже в сильно преобразованном ландшафте сохраняются природные свойства, определяемые азональными и зональными факторами, придающие ландшафту качественную определенность и устойчивость. При самом сильном преобразовании невозможно стереть различия между ландшафтами тундры, степи, пустыни, между ландшафтами гор и равнин,

ЛИТЕРАТУРА Холл Д., Рао К. Фотосинтез: Пер. с англ. М.: Мир, Одум Ю. Экология: Пер. с англ. М.: Мир, 1986 Физиология растений / под ред. проф. Ермакова И. П. М.: Академия, 2007 Молекулярная биология клетки / Альбертис Б., Брей Д. и др. В 3 тт. М.: Мир, 1994 Рубин А. Б. Биофизика. В 2 тт. М.: Изд. Московского университета и Наука, Медведев С. С. Физиология растений СПб,: СПбГУ, 2004