Глава 2.Экосистемы: закономерности существования

Э К О Л О Г И Я

 

(Адаптированный курс для бакалавров)

 

 

Под редакцией докт. техн. наук, проф. Г.В. Тягунова,

докт. техн. наук, проф. Ю.Г. Ярошенко

 

Рекомендован Министерством образования Российской Федерации

в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по техническим специальностям

 

 

 

2010 г

УДК 502.

ББК 20.1

 

Авторы: В.Н.Большаков, В.В.Качак, В.Г.Коберниченко, А.В.Островская, В.Л.Советкин, Л.В.Струкова, Г.В.Тягунов, И.Ю.Ходоровская, Ю.Г.Ярошенко

 

Экология: Учебник для вузов / В.Н.Большаков, В.В.Качак, В.Г.Коберниченко и др. Под ред. Г.В.Тягунова, Ю.Г.Ярошенко. – М.: КНОРУС, - 2010, с.

В учебнике рассмотрены современные представления о возникновении жизни на Земле, связанные с формированием биосферы. Описаны структура биосферы, закономерности существования и развития экосистем, взаимоотношения организма и среды, экология и здоровье человека, глобальные проблемы окружающей среды, при этом уделено внимание вопросам экология человека, анализу антропогенных воздействий на экосистемы и биосферу, включая экологические кризисы. Внимание уделено основам экологического права, профессиональной ответственности, международному сотрудничеству в области охраны окружающей среды, экологическим принципам рационального использования природных ресурсов и охраны природы, а также элементам системы управления качеством окружающей среды и концепции устойчивого развития, определяющей роль человеческого общества в социальной сфере. Учебник содержит сведения об антропогенном и естественном загрязнении окружающей среды и инженерных методах и средствах защиты окружающей среды от техногенных воздействий.

Учебник предназначен для бакалавров технических вузов всех специальностей. Полезен также магистрантам, аспирантам и специалистам..

УДК 502.

ББК 20.1

ОГЛАВЛЕНИЕ

Ведение ………… ………………………..…..8

Раздел 1. БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК........................................... 16

Глава 1. Биосфера: возникновение, развитие, особенности.. 16

1.1.Возникновение жизни на Земле: этапы формирования биосферы................................................................ 17

1.2.Особенности функционирования живых организмов и живых систем....................................................................................................26

1.3.Строение, функции биосферы. Круговорот веществ................31

1.4. Энергетика биосферы и трофические цепи................................37

1.5. Контрольные вопросы..................................................................45

Глава 2.Экосистемы: закономерности существования

и развтия ……………………………………………….. 46

2.1. Структуры экосистем и их основные характеристики..............46

2.2. Закономерности функционирования экосистем.........................50

2.3. Изменчивость и стабильность экосистем..................................55

2.4. Экология популяций.....................................................................58

2.5. Контрольные вопросы...............................................................64

Глава 3. Взаимоотношения организма и среды …..….… …65

3.1. Экологические факторы среды обитания..................................65

3.1.1. Важнейшие абиотические факторы...................................66

3.1.2. Некоторые биотические факторы.....................................68

3.1.3. Антропогенные факторы ……………………… ………74

3.2.Адаптация живых организмов. Закон толерантности.............. 75

3.3. Лимитирующие факторы среды обитания............................... 79

3.4.Коэволюция видов……………………… …………………. 80

3.5.Контрольные вопросы................................................................82

Глава 4. Экология и здоровье человека …… ……… ……………82

4.1. Генетическое и культурное наследие человека………… …...83

4.2. Особенности экосистемы человека………… ………………..93

4.3. Влияние среды обитания на здоровье человека… ……… 98

4.4.. Проблемы народонаселения………… 101

4.5. Контрольные вопросы............................................................103

Раздел 2. ГЛОБАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ 105

Глава 5. Естественное и антропогенное загрязнение

окружающей среды ………..……………………………………….105

5.1. Химическое загрязнение……..…………………….... ……106 5.2. Физическое загрязнение… ………………………………121

5.3. Биологические загрязнения……………………… …………130

5.4. Экстремальные воздействия на биосферу…………… ……132

5.5. Контрольные вопросы.............................................................135

Глава 6. Изменения в биосфере и их влияние

на человеческое общество ………….…………………………….....136

6.1. Изменение природной среды…………………………………136

6.2. Проблемы урбанизации………………………………………139

6.3. Проблемы «бедных» и «богатых» стран..…………………..142 6.4. Экологическая обстановка в России…………………………145

6.4.1.Природные факторы…… ……………………………………. 145

6.4.2.Качество воздушной среды…………………… ……………. 148

6.4.3.Состояние водных объектов………………………………….. 149

6.4.4.Состояние ландшафтов и почвенного покрова…………… 151

6.5. Контрольные вопросы...............................................................158

Введение

Экологические проблемы в последние годы стали оказывать все большее влияние на устойчивость процесса развития современной цивилизации. Острота этих проблем обусловлена массовым вовлечением природных ресурсов в сферу хозяйственной деятельности. Более того, опасные природные явления стали менее предсказуемы, рост запасенной энергии в объектах техносферы увеличил разрушительную силу опасных техногенных явлении, экономическая глобализация привела к еще большей нестабильности окружающей среды.

Существование любого общества обеспечивается не только простым воспроизводством материальных благ, но и увеличением их разнообразия, а также улучшением их качественного состояния. Процесс этот непрерывный и именно он предполагает использование расширяющегося спектра природных, материальных и энергетических ресурсов. При этом ресурсы любого вида преобразуются путем применения различных технологий в продукт потребления. Однако на этом не завершается жизненный цикл продукта. Он продолжает «жить» в другом качестве – либо в виде вторичного сырья, поступающего снова в производство, либо в виде отходов, возвращаемых в природную среду. Если иметь в виду, что современная цивилизация располагает сотнями тысяч технологий от добычи полезных ископаемых до производства необходимых для человека товаров и продуктов, то приведенная упрощенная схема весьма четко представляет процесс воспроизводства материальных благ, отражает процесс непрерывного обмена различных веществ и энергий между средой обитания человека и человеческим сообществом.

В ходе такого обмена общество оказывает постоянное и, большей частью, негативное воздействие на окружающую природную среду, так как все используемые вещества и виды энергии являются компонентами природной среды и взаимосвязаны друг с другом, формируя природную систему. Поэтому извлечение любого из них не только затрагивает всю систему, но и вызывает в ней возмущения различной значимости, последствия которых могут проявиться немедленно или в отдаленном будущем. Уровень таких, как правило, отрицательных последствий зависит от многих факторов и может оцениваться либо опытным путем, либо численно, но лишь в некоторых, весьма ограниченных случаях.

Деятельность человека в его взаимоотношениях с природой привела к настоящему времени к очевидным для большинства населения Земли преобразованиям условий его жизни. Эти преобразования или последствия человеческой (антропогенной) деятельности очень убедительно проявляются в следующем:

- изменяется ландшафт земной поверхности за счет вырубки лесов, распашки степей, мелиорации, создания искусственных озер, морей, больших городов и мегаполисов, строительства дорог и каналов, прокладки различных трасс и пр.;

- изменяется качественно состав природной среды, круговорот и баланс ее составляющих в результате изъятия полезных ископаемых, а также привнесения в нее не только известных, но и новых, ранее неизвестных природе компонентов, загрязняющих продукты питания, среду обитания и организмы ее населяющие;

- изменяется тепловой баланс Земли за счет накопления в атмо- сфере пыли и газов, создающих «парниковый эффект»;

- изменяется состав животного и растительного миров за счет снижения биоразнообразия на видовом, популяционном и экосистемном уровнях в результате как прямого истребления животных и растений, так и отрицательного воздействия на них измененной антропогенной среды, а также благодаря созданию новых пород животных и сортов растений и их перемещения на новые места обитания;

- изменяются условия протекания природных процессов, их скорость, направленность, степень завершенности, что обусловлено преобразованиями ландшафтов, нарушениями режимов водотоков, атмосферных процессов и др.;

- изменяются связи в природных системах между их структурами и составляющими их компонентами, включая и видовое разнообразие флоры и фауны. Этот процесс находится в прямой зависимости от загрязнения среды, изъятия ресурсов органического и неорганического мира, преобразования ландшафтов.

Появление локальных, региональных, глобальных изменений в окружающей нас природной среде и требующих своего разрешения экологических проблем, прежде всего, обусловлено, в частности, следующими причинами:

- доведением до предела, а в некоторых случаях исчерпанием способности природы к самоочищению и саморегуляции, а также к значительному сокращению запасов полезных ископаемых в силу ограниченности и невосполнимости этих ресурсов;

- несовершенством подавляющего большинства используемых технологий в промышленности и сфере услуг из-за чего 90-95% используемых природных ресурсов поступает в отходы и лишь 5-10% полезно используется для удовлетворения потребностей населения;

- недостатками в организационно-правовой и экономической деятельности государств и просчетами в экологическом воспитании и образовании жителей планеты. В результате этого у большинства населения Земли сформировалось и возрастает потребительское отношение к природе, а проблема охраны окружающей среды человечество волнует не в первую очередь.

Постепенно идея охраны природы от разрушения и повреждения ее со стороны человека переросла в форму борьбы за охрану и защиту окружающей природной среды.

Переход от чисто ресурсного подхода к пониманию необходимости сохранения естественной природы и стабильной окружающей среды начал осуществляться только во второй половине ХХ в. Своего рода точкой отсчета в осуществлении природоохранной деятельности, основанной на новом мышлении следует, считать резолюции Генеральной ассамблеи ООН и ЮНЕСКО, принятые в декабре 1968 г., идеи, которых были интегрированы в решения Стокгольмской конференции (1972 г.) в виде «Декларации принципов». Эта конференция рекомендовала в числе других мероприятий разработку международной и междисциплинарной образовательной программы. Итоги этой работы были подведены в Тбилиси на 1- ой Межправительственной конференции по образованию в области охраны окружающей среды (1977г.). В её решениях отмечено, что экологическое образование по своей значимости является с одной стороны этической нормой и с другой – правом каждого жителя планеты в приобретении знаний и умений, необходимых для охраны, защиты и улучшения окружающей среды. В документах конференции определена основная цель – экологическое образование должно быть направлено на формирование нового мировоззрения и сознания каждого гражданина и общества в целом. При этом следует в обязательном порядке учитывать важность взаимосвязей экономических, социальных, политических и экологических факторов. В том же документе подчеркивалось: процесс экологического образования должен быть непрерывным, постоянно обновляющимся, поскольку экологические проблемы и объем знаний меняются в пределах жизни одного поколения. Таким образом, по мере эволюции окружающей природной среды должно происходить совершенствование образования не только по содержанию и методам анализа знаний, но и их обобщению.

Через 10 лет в докладе Всемирной комиссии по окружающей среде и развитию отмечалось, что экологическое образование следует включить в программы всех уровней обучения, вовлекая в этот процесс население каждого государства планеты.

История прошедших со времени Тбилисской конференции лет убедительно показала, что незнание, непонимание экологических проблем препятствует становлению активного общественного мнения, движению «зеленых», способных противостоять экологически безответственным и пагубным решениям и действиям руководству предприятий, местных и региональных органов.

В Российской Федерации вопросам образования на всех уровнях обучения, а также и воспитания придается все большая экологическая направленность. Это актуально для каждого человека от рождения до ухода его из жизни. Меняются лишь акценты. В дошкольном возрасте превалирует воспитательный процесс, в школьном и вузовском – образовательный, а во взрослом – сознательный.

Полнее осознать проблемы окружающей среды можно только благодаря широкому внедрению экологического образования в высшую школу ибо без подготовки высокообразованных в экологической области специалистов невозможно ни полноценное экологическое образование на всех этапах обучения, ни эффективная практическая деятельность по переводу материального производства на экологически безопасные, безотходные и малоотходные технологии, ни правильная ориентация экологических общественных движений, ни разработка оптимальной (эффективной) национальной и международной экологической политики.

Ограниченность экологических знаний персонала предприятий промышленности, транспорта и связи во многом определяет сложную, а в некоторых случаях и неблагоприятную экологическую обстановку в городах и районах страны. Для кардинального изменения положения в экологической подготовке бакалавров технического профиля во все учебные планы технических вузов России введена дисциплина «Экология», относящаяся к группе естественнонаучных. Целью этой дисциплины является формирование у студентов современного экологического мировоззрения и экологической культуры, понимание личной причастности к решению проблем охраны природы и устойчивого развития общества. Важной целью курса также является создание у студентов заинтересованности в непрерывном расширении своих знаний.

Учебник «Экология» подготовлен с учетом требований образовательных стандартов. Его содержание базируется на знаниях по биологии, химии, физике, географии и других наук. Во все главы учебника введены контрольные вопросы для проверки усвоенного материала. Приведенный библиографический список современной учебной литературы по широкому спектру проблем экологии, рациональному природопользованию и защите окружающей природной среды.

Данный учебник предназначен для первого этапа экологического образования в вузе; он призван решить задачу формирования мировоззрения нового ноосферного мышления, сущность которого может быть определена отношением человека к природе: «человек - не покоритель, а защитник природы». Этот жизненный принцип должен стать руководящим для каждого жителя Земли, своего рода базой знаний на пути совершенствования представлений в области охраны окружающей среды и природопользования. Только тогда, когда каждый гражданин на своем рабочем месте будет лично и осознанно участвовать в решении экологических проблем, можно будет надеяться на повышение экологической безопасности человека, организаций и государства.

Система непрерывного экологического образования способна обеспечить подготовку специалистов нового поколения, творчески применяющих экологические знания при решении практических задач охраны окружающей среды и рационального природопользования.

Работа авторского коллектива над рукописью учебника была распределена среди его участников следующим образом: академиком РАН, проф., д.б.н. Большаковым В.Н. написаны гл. 1 и 2; доц., к.т.н. Островской А.В. – гл. 3, 4; доц., к.т.н. Коберниченко В.Г., доц., к.х.н.Струковой Л.В – гл.5; доц., к.т.н. Советкиным В.Л.- гл. 6 и 7; проф., д.э.н. Качаком В.В., проф., д.т.н. Ярошенко Ю.Г. – гл. 8, доц., к.э.н. Ходоровской И.Ю. – гл. 9 и 11; доц., к.т.н. Коберниченко В.Г. – гл.10, проф., проф., д.э.н. Качаком В.В., проф., д.т.н. Тягуновым Г.В. – гл.12; доц., к.т.н. Советкиным В.Л., проф., д.т.н. Ярошенко Ю.Г. – гл.13; доц., к.т.н. Советкиным В.Л.,– гл. 14; доц. к.т.н. Советкиным В.Л., проф., д.т.н. Ярошенко Ю.Г. – гл. 15, доц., к.т.н. В.Г.Коберниченко, проф., д.т.н. Тягуновым Г.В., – гл.16; проф., д.т.н. Ярошенко Ю.Г., проф., д.т.н. Тягуновым Г.В. – Введение, Заключение; «Словарь основных терминов» составлен Советкиным В.Л. и Ярошенко Ю.Г. Научное редактирование осуществлено проф., д.т.н. Тягуновым Г.В, проф., д.т.н. Ярошенко Ю.Г.

Создание учебника по такой сложной дисциплине, как «Экология», стало возможным благодаря постоянной поддержке со стороны коллег по университету, с которыми обсуждались не только вопросы содержания курса, но и методики их изложения. Авторы выражают коллегам свою искреннюю, глубокую благодарность за предложения, которые были сделаны при подготовке рукописи к печати. Настоящий учебник написан для студентов всех специальностей технических учебных заведений и представляет собой адартированный курс для бакалавров. С выходом в свет учебника, работа над ним не заканчивается. Авторы будут признательны и благодарны за все замечания, направленные на улучшение содержания учебника и формы представления материала. Предложения просим высылать проф. Г.В.Тягунову по почте: 620 002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, Уральский федеральный университет им.первого Президента России Б.Н.Ельцина, по факсу: (343)-374-38-84.

 

 

Э К О Л О Г И Я

 

(Адаптированный курс для бакалавров)

 

 

Под редакцией докт. техн. наук, проф. Г.В. Тягунова,

докт. техн. наук, проф. Ю.Г. Ярошенко

 

Рекомендован Министерством образования Российской Федерации

в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по техническим специальностям

 

 

 

2010 г

УДК 502.

ББК 20.1

 

Авторы: В.Н.Большаков, В.В.Качак, В.Г.Коберниченко, А.В.Островская, В.Л.Советкин, Л.В.Струкова, Г.В.Тягунов, И.Ю.Ходоровская, Ю.Г.Ярошенко

 

Экология: Учебник для вузов / В.Н.Большаков, В.В.Качак, В.Г.Коберниченко и др. Под ред. Г.В.Тягунова, Ю.Г.Ярошенко. – М.: КНОРУС, - 2010, с.

В учебнике рассмотрены современные представления о возникновении жизни на Земле, связанные с формированием биосферы. Описаны структура биосферы, закономерности существования и развития экосистем, взаимоотношения организма и среды, экология и здоровье человека, глобальные проблемы окружающей среды, при этом уделено внимание вопросам экология человека, анализу антропогенных воздействий на экосистемы и биосферу, включая экологические кризисы. Внимание уделено основам экологического права, профессиональной ответственности, международному сотрудничеству в области охраны окружающей среды, экологическим принципам рационального использования природных ресурсов и охраны природы, а также элементам системы управления качеством окружающей среды и концепции устойчивого развития, определяющей роль человеческого общества в социальной сфере. Учебник содержит сведения об антропогенном и естественном загрязнении окружающей среды и инженерных методах и средствах защиты окружающей среды от техногенных воздействий.

Учебник предназначен для бакалавров технических вузов всех специальностей. Полезен также магистрантам, аспирантам и специалистам..

УДК 502.

ББК 20.1

ОГЛАВЛЕНИЕ

Ведение ………… ………………………..…..8

Раздел 1. БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК........................................... 16

Глава 1. Биосфера: возникновение, развитие, особенности.. 16

1.1.Возникновение жизни на Земле: этапы формирования биосферы................................................................ 17

1.2.Особенности функционирования живых организмов и живых систем....................................................................................................26

1.3.Строение, функции биосферы. Круговорот веществ................31

1.4. Энергетика биосферы и трофические цепи................................37

1.5. Контрольные вопросы..................................................................45

Глава 2.Экосистемы: закономерности существования

и развтия ……………………………………………….. 46

2.1. Структуры экосистем и их основные характеристики..............46

2.2. Закономерности функционирования экосистем.........................50

2.3. Изменчивость и стабильность экосистем..................................55

2.4. Экология популяций.....................................................................58

2.5. Контрольные вопросы...............................................................64

Глава 3. Взаимоотношения организма и среды …..….… …65

3.1. Экологические факторы среды обитания..................................65

3.1.1. Важнейшие абиотические факторы...................................66

3.1.2. Некоторые биотические факторы.....................................68

3.1.3. Антропогенные факторы ……………………… ………74

3.2.Адаптация живых организмов. Закон толерантности.............. 75

3.3. Лимитирующие факторы среды обитания............................... 79

3.4.Коэволюция видов……………………… …………………. 80

3.5.Контрольные вопросы................................................................82

Глава 4. Экология и здоровье человека …… ……… ……………82

4.1. Генетическое и культурное наследие человека………… …...83

4.2. Особенности экосистемы человека………… ………………..93

4.3. Влияние среды обитания на здоровье человека… ……… 98

4.4.. Проблемы народонаселения………… 101

4.5. Контрольные вопросы............................................................103

Раздел 2. ГЛОБАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ 105