Отличие города от естественных гетеротрофных систем

 

От естественных гетеротрофных экосистем город отличается следующими особенностями:

. Гораздо более интенсивный поток энергии на единицу площади. Для этого требуется больший приток концентрированной энергии извне, которая поступает, главным образом в виде горючих ископаемых. Всю энергию для своей жизнедеятельности в виде продуктов питания, сырья и топлива промышленно-городские системы получают от естественных и полуестественных систем. Величины этой энергии по меньшей мере на 2 - 3 порядка больше того потока энергии, который поддерживает существование систем I - III типов. Вот почему множество людей может жить на небольшой площади города. При этом на поддержание жизнедеятельности людей как живых организмов расходуется лишь очень небольшая часть поступающей в города энергии. Например, в США 1 человек потребляет в среднем 1 млн. ккал энергии пищи в год, тогда как общие затраты энергии в городе в расчете на одного человека по меньшей мере в 80 раз выше.

. Огромное превышение расхода энергии над ее запасами в системе. В естественных экосистемах это соотношение близко к соотношению Шредингера, или отношению суммарного дыхания сообщества к его биомассе (R/B). Поэтому промышленно-городские экосистемы являются очень неустойчивыми по сравнению с естественными (типы I и II) и даже полуестественными (тип III) природными экосистемами.

. При современных методах ведения городского хозяйства солнечная энергия в самом городе практически не используется (не считая, разумеется, дневного освещения и высокой летней температуры, что позволяет экономить топливо на освещение и обогрев). Иногда она становится даже дорогостоящей помехой, поскольку нагревает здания летний период и способствует образованию смога. Поэтому для поддержания функционирования городских экосистем требуется такое огромное количество энергии. Она используется в первую очередь для откачки в окружающую среду энтропии, образующейся в городе. Примерами этого являются ремонт зданий, уборка улиц, вывоз мусора, функционирования систем очистки и т. д. Возможно, в будущем, по мере роста цен на горючее произойдет переход к новым типам городских экосистем, которые будут существовать преимущественно за счет энергии Солнца и использованием вспомогательной энергии горючего. Очень важным представляется разработка новых технологий, которые позволили бы концентрировать солнечную энергию до такого уровня, чтобы она могла не просто дополнять энергию топлива, но и частично замещать ее. Уже сейчас все более широкое применение находят различные устройства (солнечные батареи и т. п.), использующие энергию Солнца для производства электричества, обогрева и кондиционирования зданий и т.д.

. Большие потребности в поступлении различных веществ извне, например, металлов для промышленности и торговли, а также для поддержания жизни людей;

. Более мощный и ядовитый поток отходов, многие из которых являются синтетическими соединениями, более токсичными, чем сырье из которого они получены.

. Изменения параметров среды на входе и выходе экосистемы города гораздо выражены значительно сильнее, чем в любой естественной экосистеме. Большинство городов имеет широкий «зеленый пояс» растительности, который включает атотрофный компонент - деревья, кустарники, травяные газоны, а часто и водоемы - озера, пруды и пр. Органическая продукция этого зеленого компонента не играет заметной роли в снабжении механизмов и людей, столь плотно заселивших город. Без огромных поступлений пищи, горючего, электроэнергии, сырья и воды механизмы быстро бы прекратили бы работу, а люди - погибли бы от голода или покинули город. Городские зеленые насаждения и водоемы представляют огромную эстетическую и рекреационную ценность. Они смягчают колебания температуры в городе, уменьшают шумовое загрязнение и запыление, дают местообитание певчим птицам и другим мелким животным. В среднем около 30% территории города лишено естественного растительного покрова, поскольку она покрыта асфальтом, бетоном и занята зданиями и сооружениями. Однако городская растительность благодаря садоводческой деятельности человека и различным мерам ухода характеризуется значительно большим видовым разнообразием, а благодаря внесению удобрений -- даже большей продуктивностью. Естественный вынос органического вещества из природных лесов невелик или вовсе отсутствует. Напротив, из городских лесов и парков на свалки ежегодно вывозится более половины чистой первичной продукции в виде срезанных ветвей, листьев и скошенной травы. Было бы полезнее использовать это вещество как органическое удобрение для полей и огородов, как местное топливо и на другие хозяйственные цели. Ежегодные затраты энергии на содержание городского газона в США, включающие труд, бензин, удобрения, оцениваются в 528 ккал м-2. Примерно столько же требуется энергии, чтобы вырастить хороший урожай кукурузы. Экологические особенности городов Площадь суши, занятая городами, невелика - от 1 до 5% в разных районах мира. Однако, города, воздействуя на прилегающие естественные экосистемы, изменяют природу водоемов, лесов и полей, атмосферы и океанов. Город может влиять на удаленный от него лес не только непосредственно загрязняя воздух, но и косвенным образом, посредством изменения практики лесоводства. Например, для удовлетворения растущего спроса на бумагу и деловую древесину естественные леса заменяются периодически вырубаемыми плантациями деревьев одного вида и возраста. Образующиеся в результате функционирования города тепло, пыль и другие вещества, загрязняющие воздух, заметно изменяют климат городов, по сравнению с климатом прилегающей местности. Как правило, в крупных городах теплее, в них повышена облачность, меньше солнечного света, больше мороси и тумана, чем в окружающей сельской местности. Городское строительство, особенно сооружение индивидуальных домов и промышленных построек в пригородах является одной из главных причин эрозии почв и снижения уровня грунтовых вод. Даже слабозаселенные, удаленные от городов районы могут подвергаться сильному их влиянию, поскольку из таких районов в города поступают продукты питания, сырье, вода и другие материалы. Кроме того, загрязнение воды и воздуха может ощущаться очень далеко от города. Крупные промышленные города в высокоразвитых странах, потребляя огромное количество вещества и энергии, производит помимо тепла огромное количество твердых, жидких и газообразных отходов. Значительная часть этих отходов в той или иной степени очищается на очистных сооружениях, на что также расходуется большое количество энергии и финансовых средств. Тем не менее, благодаря законодательным мерам и общественной активности состояние окружающей среды в городах и их окрестностях в этих странах в последние годы улучшилось. В развивающихся странах города потребляют меньше вещества и энергии в расчете на одного их жителя. Однако недостаток или отсутствие в этих городах очистных сооружений часто приводит к более сильному негативному воздействию этих городов на окружающую среду. Современный город фактически паразитирует на окружающих его природных экосистемах. При существующем порядке хозяйствования город, забирая огромное количество вещества и энергии из окружающих экосистем, не производит или почти не производит пищи или других органических веществ, не очищает воздух, не возвращает или почти не возвращает в круговорот воду или неорганические вещества. С другой точки зрения можно считать, что город находится в симбиотических отношениях с окружающей его местностью. Он производит товары, услуги, деньги и культурные ценности, обогащает ими сельское окружение, а получает в обмен на него пищу, энергию и сырье. Таким образом, город необходимо считать экосистемой в полном смысле этого термина, если рассматривать его вместе с обширным природным окружением.

Емкость городской среды

Чем крупнее город, тем больше он содержит элементов и связей между ними. Из курса общей экологии мы знаем, что с увеличением размеров тела организма общая величина его метаболизма возрастает, однако величина метаболизма на единицу массы снижается. Общая энтропия системы возрастает с увеличением ее размеров. В результате этого все большая и большая доля энергии должна использоваться на поддержание состояния и все меньшая доля энергии остается для ее развития. Когда расходы энергии на поддержание уравниваются с количеством доступной энергии, дальнейший рост прекращается, т.е. достигается максимальная емкость среды. Такая же закономерность отмечена и для городских экосистем.

. Рост разных форм загрязнения среды. Поддержание жизни крупных городов, особенно мегаполисов и городских агломераций, протянувшихся на сотни километров, становится крайне дорогим. Все их здания и сооружения (дороги, водопровод, канализация) постепенно устаревают и требуют ремонта или замены. Отходы каждого города сваливаются на «задний двор» другого. Многие специалисты считают, что в городах экономические функции максимизированы до такой степени, что их максимизировать его социальные и функции просто невозможно. В крупных городах стоимость жизни, а часто и налоговый пресс (в США и др. странах) достоверно коррелируют с численностью населения. Многие жители крупных городов желают переселиться из города в собственный дом в пригороде, но сделать это могут лишь богатые. Разумный баланс между затратами и выгодами жизни в городе (особенно в столице) по-видимому складывается в городе с населением около 100 тысяч человек. Возможно, в идеале каждый регион должен иметь один очень крупный город, дающий те культурные преимущества, которыми могут обладать лишь очень крупные города. В их числе - учебные заведения, театры, музеи, высококлассные спортивные команды, гастроли мировых знаменитостей, спортивные соревнования высшего уровня. Кроме крупного города в каждом регионе должно иметься множество небольших городков и поселков, обеспечивающих такое качество жизни, которое удовлетворяет большинство людей. Однако труд и энергия, затрачиваемые на их уход и благоустройство города уход увеличивают энергетические затраты и бюджет города. В конечном итоге эти расходы оплачивают налогоплательщики, которые живут не только в этом городе, но и в его окрестностях. Расходы на содержание столицы любого государства несут все его граждане. Очевидно, что крупный центральный город не может самостоятельно обеспечить себя, поэтому нуждается в бюджетных дотациях. Они являются платой за те услуги, которые крупный город оказывает всему региону, а если столица - то и всей стране. Если все города будут хорошо забуферены и окружены зелеными поясами и сельскохозяйственными угодьями, которые обеспечивают необходимое качество жизненной среды их жителей, то невыгодность существования городов с энергетической точки зрения можно понизить до приемлемого уровня. Нетрудно оценить емкость среды для сельскохозяйственной общины, ведущей натуральное хозяйство, не использующей ирригации и дополнительных вложений (машины, удобрения, пестициды). В этом случае энергия для поддержания ее существования (преимущественно, пищевые продукты) поступает из прилегающей местности, а не из удаленных районов. В Индии плотность населения в сельской местности линейно связана количеством осадков. При годовой норме осадков, равной 100 мм, на 1 га пахотной земли может прокормиться 2 человека, при 1000 мм - 4,5 человека, а при 3000 мм - 6 человек. Оценить поддерживающую емкость среды для индустриального городского общества гораздо сложнее, поскольку такие общества поддерживаются большими количествами дополнительной энергии. Она часто извлекается из невозобновляемых запасов горючих полезных ископаемых, которые были созданы задолго до появления человеческой цивилизации. Кроме того, городское общество потребляет огромное количество воды, сырья, древесины и т.п. В США на одного городского жителя в сутки расходуется пищи с 0,8 га сельскохозяйственных угодий, бумаги и других изделий из дерева -- с 0,4 га, воды - 7570 л (из них на питье и бытовые нужны - только 300 - 400 л). Таким образом, чтобы кормить, поить и одевать город с населением 1 млн. человек, который занимает площадь в среднем 260 км2 требуется гораздо большая площадь. Лишь для производства продуктов питания необходимо 800 тыс. га, или 8000 км2. Для получения ежегодных 7,6 млрд. л воды необходим огромный водосборный бассейн (площадью в десятки тысяч км2) с обильными атмосферными осадками. Уже сейчас человечество изымает из Биосферы на различные цели не менее 20% ее чистой первичной продукции. Во многих регионах, особенно засушливых, наблюдается недостаток чистой питьевой воды и даже воды для целей ирригации. Большинство специалистов считает, что человечество уже превысило емкость среды Биосферы или, во всяком случае, очень близко подошло к этому пределу. Воздействия города на природную среду Потери плодородных земель. Рост площади городов, пригородов и пр. приводит к сокращению площадей сельскохозяйственных угодий. Например, площадь Мехико за последние 20 лет увеличилась на 2700 км2. за счет наиболее плодородных земель. Потеря сельскохозяйственных угодий происходит также в результате добычи нужных для функционирования города полезных ископаемых и строительных материалов, строительства дорог и т.п. Загрязнение атмосферы. В атмосфере до начала промышленной революции имелось только 24 газообразных веществ. В настоящее время в ней можно найти свыше 3000 газов, которые производит промышленность, транспорт и т.п. Кроме того, содержание СО2 за последние 150 лет увеличилось с 0,028- 0,029% до 0,034%. Над городскими территориями возросла концентрация SO3 и NO3, а также таких органических соединений, как фреоны, метан и т.п. Образование «теплых островов». Температура в крупных городах существенно выше, чем в прилегающей сельской местности. Особенно сильна эта разница (до 3-6оС) вечером в летний период, когда нагревшиеся за день на Солнце здания, и асфальтовые и бетонные покрытия отдают тепло. Кроме того летом воздух дополнительно нагревают многочисленные автомобили и кондиционеры. Сочетание повышенной температуры и атмосферных загрязнителей благоприятствует образованию озона. Нарушения гидрологического режима. На урбанизированных территориях значительно возрастает доля водонепроницаемых участков - до 35% от общей территории города - это дороги с асфальтовым и бетонным покрытием, здания и т.п. В среднем на незастроенной территории 40% дождевых осадков испаряется, 10% уходит с поверхностным стоком, а 50% - в грунтовые воды. На урбанизированной территории испаряется 25% осадков, в подземные воды уходит 32%, а с ливневыми стоками - 43%. Это приводит к понижению уровня грунтовых вод. Кроме того, ливневые стоки выносят большое количество загрязнителей непосредственно в реки и озера. Фрагментация природных ландшафтов. Развитие городов приводит к выборочным вырубкам пригородных лесов. В результате сплошной лесной массив распадается на ряд не связанных друг с другом участков. Это приводит к нарушению естественной среды обитания для крупных лесных животных - копытных и т.п., нарушению естественных путей их миграции, фактору беспокойства. и исчезновению многих видов. Сокращение биологического разнообразия. Разнообразие растений в городах, как правило, выше, чем в природе по причине интродукции. Разнообразие животных, как правило, ниже. Загрязнение почвенного слоя. В городах площади почв, близкие по структуре к естественным, не превышает 25%.