Author: Небел Б.
Tags: природа охрана окружающей среды геофизические науки биология экология окружающая среда окружающий мир
ISBN: 5-03-002974-5
Year: 1993
Text
Б. Небел
Наука
об окружающей’
среде
Как
устроен
мир
В т. 1 рассмотрены
общие свойства эко-
систем, условия их
устойчивости, проб-
лемы деградации
почв и вод, загряз-
нения среды нечис-
тотами, промыш-
ленными газами и
отходами произ-
водства
Издательство
«Мир»
Наука об окружающей среде
Third Edition
Environmental Science
The Way the World Works
Bernard J. Nebel
Department of Biology, Catonsville
Community College
Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ 07632
БНе5ел Наука
об окружающей
среде
Как устроен мир
1
В 2-х томах
Перевод с английского
канд. биол. наук М. В. Зубкова,
канд. биол. наук Д. А. Петелина,
Т. И. Тарасовой
tsf К Н
МтуУ
Москва «Мир» 1993 г
ББК 26.2
Н39
УДК 502
Небел Б.
Н39 Наука об окружающей среде: Как устроен мир: В 2-х т.
Т. 1. Пер. с англ.-М.: Мир, 1993,-424 с., ил.
ISBN 5-03-002974-5
Книга американского автора - один из лучших учебников по охране окружающей
среды, широко используемый в колледжах США. Перевод сделан с 3-го, переработан-
ного и дополненного издания. В 1-м томе рассмотрены общие свойства экосистемы,
условия их устойчивости, проблемы деградации почв и вод, загрязнения среды
сточными водами, промышленными газами и ядовитыми отходами произволе гва.
Для школьников старших классов, преподавателей биологии в школе, всех
интересующихся проблемами экологии и охраны среды.
1903040000-012
Н----------------107 93
041(01) 93
ББК 26.2
Федеральная целевая программа книгоиздания
Редакция литературы по биологии
ISBN 5-03-002975-3 (русск.)
ISBN 5-03-002974-5
ISBN 0-13-282203-2 (англ.)
© 1990, 1987, 1981 by Prentice-Hall, Inc.
© перевод на русский язык, коллектив
переводчиков, 1993
От редакции
Предлагаемая вниманию читателей
книга, - видимо, первый на русском языке
систематический начальный курс эколо-
гии и охраны окружающей среды. Мы
думаем, что он будет полезен как школь-
никам, так и огромной армии студентов,
инженеров, технологов, чья будущая (или
нынешняя) работа связана с изменением
нашей среды обитания или, напротив, ее
сохранением и восстановлением. Этот
учебник был выбран и рекомендован для
перевода известным американским педа-
гогом и экологом Харри Силкоксом; мы
приносим ему искреннюю благодарность
за помощь и постоянное внимание к на-
шей работе.
Среди многих издаваемых на Западе
учебников такого типа книга Небела в
США наиболее популярна и широко ис-
пользуется для преподавания в коллед-
жах. Недаром она за короткий срок
дважды переиздавалась. Ее отличают
ясность и логичность изложения, а также
четкая практическая направленность:
везде, где только можно, автор обра-
щается к нашему повседневному опыту
и современным, широко обсуждаемым
прессой, актуальным для общества проб-
лемам. Разумеется, им использованы
американские реалии (это еще и интерес-
ная информация о жизни в США) и не
рассматриваются особенности экологи-
ческой ситуации в нашей стране. Поэтому
мы включили в настоящее издание (т. 2)
дополнение, а именно Закон РФ «Об охра-
не окружающей природной среды», чтобы
снабдить читателя основополагающими
сведениями как о политике нашего го-
сударства в области экологии, так и о
праве каждого его гражданина на жизнь
в благоприятных экологических условиях
и возможностях осуществления этого пра-
ва. Кроме того, настоящее издание вклю-
чает (также в т. 2) практикум для школь-
ников, выпущенный в США отдельной
брошюрой как приложение к учебнику.
Мы сочли целесообразным объединить их
под одной обложкой.
Важную роль в публикации данной
книги сыграл тот факт, что издательство
“Simon and Schuster” безвозмездно пере-
дало нам права на перевод, и мы выра-
жаем глубокую благодарность нашим
зарубежным коллегам по издательскому
делу.
Природоохранному движению 1990-х гг.
Предисловие
Когда в 1960-е гг. человечество начало
осознавать серьезность встающих перед
ним экологических проблем, возник воп-
рос: сколько времени у нас осталось?
Сколько лет пройдет, прежде чем мы
столкнемся с трагическими последствия-
ми нашего пренебрежительного отноше-
ния к окружающей среде? Ответом было:
30-35 лет. Сейчас, когда мы прибли-
жаемся к концу назначенного тридцати-
летнего срока, этот прогноз навязчиво
преследует меня. Я думаю, он был неда-
лек от истины, так как налицо потепление
климата, дыры в защитном озоновом
слое над полюсами, повсеместное при-
сутствие токсичных химических веществ
в грунтовых водах США, голод в Африке,
загрязнение пищевых продуктов остат-
ками пестицидов и вымирание огромного
числа видов по мере отступления лесов
перед растущим народонаселением пла-
неты. У нас просто нет других тридцати
или хотя бы десяти лет для изучения
и обсуждения экологических проблем.
Необходимо уже сейчас предпринять ре-
шительные шаги к спасению биосферы.
Еще через тридцать лет мы либо созда-
дим устойчивое общество, либо станем
свидетелями угасания цивилизации на
Земле.
Все это весьма печально. Отрадно же
то, что перечисленные проблемы изучены
и уже разработаны (по крайней мере тео-
ретически или на уровне опытных устано-
вок) технологии, позволяющие их разре-
шить, а значит, обеспечить устойчивое
развитие общества. Нужно просто серьез-
но взяться за дело. Предлагаемая книга
призвана помочь в этом читателям.
Все разделы книги в нынешнем тре-
тьем издании полностью переработаны.
При этом сохранены простота стиля и
последовательность изложения, перехо-
дящего от простых фактов к сложным
проблемам, что делает текст доступным
даже для начинающих интересоваться
этими вопросами подростков. Благодаря
тщательному редактированию удалось
уменьшить его объем, несмотря на вклю-
ченный в книгу дополнительный мате-
риал. Переделано большое количество ил-
люстраций, добавлены новые.
Учебные примеры введены для того,
чтобы изложение стало более конкретным
и разносторонним. Большинство из них-
основанная на собственном опыте авто-
ров детальная иллюстрация разбирае-
мого в соответствующей главе вопроса.
Они показывают также, что могут сде-
лать отдельные люди для его решения.
Учебные примеры приводятся после глав
в виде приложений.
Основное понятие, проходящее через
всю книгу, -устойчивость. Экологические
проблемы изложены с точки зрения путей
достижения этой цели. В каждой части
книги студенты узнают, почему некото-
рые современные тенденции, включая
рост численности населения, эрозию
почвы, оскудение природных ресурсов и
сведение лесов, свидетельствуют о неус-
тойчивости цивилизации и как повлиять
на них, чтобы ее существование стало
устойчивым. Кроме того, теперь каждая
глава завершается перечнем конкретных
действий, которыми студент или лю-
бой другой человек может помочь про-
ведению в , жизнь практических меро-
приятий, обеспечивающих обществу
устойчивость.
ПРЕДИСЛОВИЕ
7
Краткое содержание книги
Первая часть (гл. 1-4) дает общее
представление о структуре и функциони-
ровании природных экосистем. Особое
внимание обращено на экологические
принципы, определяющие их устойчи-
вость. В конце каждой главы подчерки-
вается, что все наши экологические проб-
лемы-по существу результат пренебреже-
ния этими основными принципами и что
устойчивость будет обеспечена, если их
признавать и использовать в жизни об-
щества. В гл. 4 акцент смещен с эволюции
как таковой на генетическое разнообразие
как источник способности изменяться и
приспосабливаться к новым условиям.
Подчеркивается, что сохранение генети-
ческого разнообразия необходимо для
выживания.
Вторая часть (гл. 5 и 6) посвящена
популяционному равновесию как ключе-
вому фактору устойчивости экосистем.
Показано, что взрывообразный рост чело-
веческой популяции касается не только
стран третьего мира. Если люди где-либо
разрушают свою экосистему, как это
происходит сейчас в разных уголках пла-
неты, вся биосфера «космического ко-
рабля Земля» подвергается опасности.
Знакомясь с причинами вспышек числен-
ности населения, читатели поймут необ-
ходимость энергичных усилий, направлен-
ных на снижение рождаемости, и узнают,
какими методами можно его добиться.
Третья часть (гл. 7 и 8) посвящена
почве и воде-важнейшим ресурсам, под-
держивающим устойчивое развитие об-
щества, так как па них основано произ-
водство продуктов питания. Читатели
узнают, как функционирование природ-
ных экосистем непрерывно возобновляет
эти ресурсы и как их возобновляемость
зависит от соблюдения определенных
принципов. Они поймут, как почва и вода
деградируют и теряются в результате
ведения сельского хозяйства без учета
таких принципов. Параллельно станут
ясны методы устойчивой сельскохозяйст-
венной деятельности.
Четвертая часть (гл. 9-14) посвящена
основным проблемам, связанным с заг-
рязнением окружающей среды (эвтрофи-
зации, сточным водам, опасным отходам,
загрязнению воздуха, кислотным дождям,
парниковому эффекту, разрушению озо-
нового экрана). Рассмотрение каждого из
основных типов загрязнений в отдельной
главе поможет читателю приобрести за-
конченное представление о них, о пос-
ледствиях, к которым они приводят, и о
том, что необходимо предпринять для их
предотвращения. Размер этих глав был
сокращен без ущерба для содержания.
Наносы и эвтрофизация (прежде гл. 9 и
11) объединены в одну гл. 9.
Пятая часть (гл. 15 и 16) демонстри-
рует неустойчивый характер традицион-
ных методов химической борьбы с вре-
дителями. В ней описаны различные ме-
тоды природной, или биологической,
борьбы, обеспечивающие устойчивость
экосистем.
Шестая часть (гл. 17-22) посвящена
необходимым для общества ресурсам, не
включающим почву и воду. Из гл. 17
читатели узнают, почему природные эко-
системы и виды представляют не только
эстетическую ценность, но и необходимы
для устойчивого существования челове-
чества. В гл. 18 рассказывается о задачах
и достижениях вторичного использования
отходов как составной части устойчивого
развития. Гл. 19-21 дадут ясное понима-
ние того, что наша зависимость от иско-
паемого топлива и ядерной энергии не
способствует такому развитию из-за ис-
тощения этих ресурсов и/или связанных
с их использованием загрязняющих про-
дуктов или отходов. Обсуждаются раз-
личные альтернативные технологии, в
частности солнечная энергетика, которые
находятся на пороге широкомасштабного
внедрения при условии соответствующей
финансовой поддержки.
В последней главе-о влиянии образа
жизни и землепользования на окружаю-
щую среду-вновь делается упор на то,
что наш постоянно изменяющийся образ
жизни, связанный с потреблением огром-
ного количества энергии и ростом горо-
дов, лежит в основе большинства отри-
цательных изменений окружающей среды,
истощения ресурсов и загрязнения. Глав-
8
ПРЕДИСЛОВИЕ
ный ее вывод: стремление к устойчивости
в конечном итоге потребует определенных
изменений в образе жизни, но сами они
могут значительно повысить ее качество
в широком понимании этого слова.
Дидактический подход
Организация. Как и во втором изда-
нии, каждая глава книги строго организо-
вана и построена в соответствии с иерар-
хией изучаемых вопросов, что облегчит
читателям приобретение ясного и глубо-
кого представления о каждой теме.
План. Каждой главе предшествует
план, состоящий из оглавления и парал-
лельных ему учебных вопросов. Такой
план можно использовать как удобный
предварительный обзор главы, пособие
для самопроверки, справочник для быст-
рого нахождения в тексте того или иного
раздела, краткое содержание изученного
материала.
Термины. Новые термины выделяются
в том месте, где впервые дается их опре-
деление, жирным шрифтом, а затем-кур-
сивом, чтобы подчеркнуть их использо-
вание в том или ином контексте. Все эти
слова включены в словарь терминов в
конце книги.
Иллюстрации и фотографии. Около
500 фотографий и рисунков способствуют
привлекательности книги. Кроме того, все
иллюстрации выполнены и подобраны
так, чтобы облегчить понимание разби-
раемых вопросов. На все иллюстрации
есть конкретные ссылки в тексте.
Приложения. Они включают список
англоязычных сокращений, метрическую
систему с эквивалентами английских еди-
ниц измерения, энергетические единицы
и их эквиваленты, основные химические
понятия.
Благодарности
Я выражаю Глубокую признатель-
ность и благодарность многим людям,
которые своим талантом и тяжелым тру-
дом содействовали завершению работы
над третьим изданием этой книги. Осо-
бенно я хотел бы отметить следующие
имена.
Джанет Ханна выполнила «черновые»
(а на самом деле весьма совершенные)
рисунки всех новых и исправленных ил-
люстраций, появившихся в этом издании,
и многим помогала мне в остальной ра-
боте.
Мэри Кинтнер, Бет Бек и Анджи Би-
дерман провели неисчислимые часы за
пишущей машинкой и выполнением дру-
гих редакционных заданий, что во многом
способствовало выходу книги в свет.
Джин Байарз отредактировала перво-
начальный вариант рукописи, а Холли
ЛаМонг и Гэри Кейзер вычитали и от-
корректировали окончательный текст.
Учебные примеры предоставили док-
тор Джим Макензи (Институт мировых
ресурсов), Чарлин Дейл (Международный
фонд детского здоровья), доктор Дейвид
Ринд (НАСА, Институт космических ис-
следований Годдарда), доктор Джонатан
Хаммонд (Иллинойсский университет),
Хельга Олковски (Проект комплексного
домостроительства), доктор Эдуард
Дж. Кормонди (Университет Гавайи-Хи-
ло), доктор Дейвид Пиментел (Корнел-
лский университет), доктор Вернер Форнос
(Институт народонаселения), доктор Пол
К. Паркс (Флоридская федерация по ох-
ране диких животных) и мистер Нейл
Селдман (Институт проблем самообеспе-
чения).
Книгу рецензировали Питер С. Дик-
сон (Калифорнийский университет в Эр-
вине), Дейвид Пиментел (Корнеллский
университет), Фред Ракл (Университет
шт. Мичиган), Роналд Уорд (Колледжи
Гранд-Валли, Аллендейл, Мичиган) и Ри-
чард Андред (Колледж округа Монтго-
мери, Блу-Белл, Пенсильвания).
Среди служащих издательства “Pren-
tice-Hall” особых слов заслуживают мой
научный редактор Боб Сиклз, благодаря
энтузиазму которого работа над книгой
продвигалась почти в соответствии с на-
меченным графиком, несмотря на частую
медлительность автора; мой технический
редактор Джон Морган, столь вниматель-
ный ко всем деталям, необходимым для
превращения рукописи в готовую книгу;
Дуг Гауэр, корректировавший оттиски.
Мои коллеги из Катонсвиллского кол-
леджа, особенно Карол Дейл, Стивен
Саймон, Гэри Кайзер, Дейвид Джеффри,
Барбара Карр и Дейвид Харгров внима-
тельно следили за моей работой и всесто-
ронне поддерживали ее в течение многих
лет.
Кроме того, я хочу поблагодарить еще
раз всех тех, кто способствовал выходу
в свет предыдущих изданий, кому я
остаюсь крайне признателен за их по-
мощь: Нанси Минкофф, Эдуарда Кор-
монди, Джин Небел, Эмили (Макнамара)
Букхолц, Дейвида Ханли, Мэри Бейер,
Терри Леннига, Линн Карр, Кати (Йо)
Зегвиц, Джоан Труби, Байрона Додлина,
10
БЛАГОДАРНОСТИ
Кея А. Небела, Джека Андерсона, Джо-
зефа Ньюкомера, Олив Блуменфелд и
Юдо Эссина.
Благодарю также множество людей,
предоставивших мне информацию и фо-
тографии, и приношу извинения за то, что
не перечисляю их поименно.
Все мои студенты постоянно подтал-
кивали меня к написанию этой книги и
давали возможность проверить готовые
разделы в процессе преподавания.
Бернард Дж. Небел
I. ВВЕДЕНИЕ
Введение
Использование научных знаний
для понимания и решения проблем
охраны окружающей среды
Раздел
12
II. ОЦЕНКА ИНФОРМАЦИИ .... 15
А. Что такое наука?..........15
1. Научный метод..........16
2. Наблюдения и факты .... 16
3. Гипотезы и их проверка ... 17
4. Эксперименты с контролем . . 17
5. Построение теорий........19
6. Принципы и законы приро-
ды 19
Б. Роль приборов в науке .... 20
В. Наука и технология..........20
Учебные вопросы
1. Дайте определения устойчивости, экологи-
ческих последствий, компромиссов. Гаран-
тируют ли современные взаимоотношения
человечества с окружающей средой устой-
чивое развитие общества? Приведите дока-
зательства и обоснуйте их.
2. Существует ли возможность изменения
сложившейся ситуации? Расскажите о при-
родоохранном движении 1960 -1970-х гг. и
достигнутом прогрессе. Что необходимо
изменить сейчас? Дайте определения «жиз-
ни взаймы», устойчивого развития.
3. Дайте определения экологии, науки об ок-
ружающей среде. Расскажите, как следова-
ние экологическим принципам будет содей-
ствовать устойчивому развитию общества.
Что необходимо сделать для того, чтобы
ускорить переход к такому развитию?
4. Почему природоохранному движению не-
обходим научный метод исследования?
5. Дайте определение науки. На чем основана
вся научная информация? Определите клю-
чевой принцип науки.
6. С чего начинается и чем кончается научный
метод исследования?
7. Что такое факт? Каким требованиям
должны отвечать наблюдения, чтобы счи-
таться фактами?
8. Что делают, когда на поставленный вопрос
нельзя ответить с помощью прямых наб-
людений? Как тогда поступают? Дайте оп-
ределение гипотезы.
9. Каковы основные принципы эксперимента
с контролем? В чем слабость эксперимента
без контроля, охватывающего более одной
переменной или рассматривающего только
один-два объекта? Нуждаются ли в про-
верке экспериментальные результаты?
Всегда ли необходима для эксперимента
лаборатория?
10. Что такое теория?
11. Что такое принципы и законы природы?
В чем их ценность?
12. Какова роль приборов в науке?
13. Проведите различие между фундаменталь-
ной наукой и технологией. Как они взаим-
но обогащаются?
12
ВВЕДЕНИЕ
Г. Неразрешимые вопросы и противоре-
чия .........................21
III. НАУКА И ЦЕННОСТНЫЙ ПОД-
ХОД ...................22
IV. НАУКА ОБ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ И
ОБЛАСТИ ЕЕ ПРИЛОЖЕНИЯ ... 22
14. Где и почему существуют в науке объек-
тивные противоречия? Как они постепенно
разрешаются? Что способствует сохране-
нию противоречий после устранения всех
разумных сомнений?
15. Что такое ценностный подход? Приведите
примеры. Может ли наука дать ответ на
ценностные вопросы? Может ли она по-
мочь найти его? Как?
16. Объясните, как распространение науки об
окружающей среде связано с переходом
общества к устойчивому развитию.
Введение
Какой бы Вы хотели видеть окружаю-
щую среду?
Если бы Вас попросили ее описать, Вы
бы, вероятно, упомянули такие вещи, как
чистая вода, чистый воздух, плодородная
почва и высокопродуктивное сельское
хозяйство, отсутствие опасных отходов
и обширные нетронутые человеком прост-
ранства с богатым животным и расти-
тельным миром. Но более всего Вы, ве-
роятно, хотите, чтобы взаимосвязь об-
щества с окружающей средой была устой-
чивой, т. е. можно было бы с уверен-
ностью смотреть в будущее, зная, что
перечисленные выше черты не дегради-
руют и не исчезнут, а будут сохраняться,
постоянно возобновляясь, и в будущем
доступность их по крайней мере не умень-
шится.
Но как Вы представляете себе нынеш-
нюю ситуацию?
Через средства массовой информации
на нас обрушиваются предупреждения о
неминуемых, если уже не происходящих,
экологических бедствиях. Загрязняются
воздух и вода. Пища отравлена пестици-
дами. Кислотные дожди угрожают озе-
рам и лесам. Эрозия приводит к потерям
почвы. Разрушается защищающий все
живое на Земле озоновый слой. Климат
планеты теплеет из-за выделения двуо-
киси углерода при сжигании различных
видов топлива-это парниковый эффект.
Воде, которой мы пользуемся, угрожает
загрязнение, или она уже содержит ток-
сичные отходы. Дикая природа скудеет:
тысячи видов приближаются к грани вы-
мирания, а сотни уже перешли за эту
грань. Многие ресурсы истощены чрез-
мерным использованием. Перенаселение
угрожает ввергнуть мир в эпоху непрек-
ращающегося голода, как в Эфиопии.
Короче говоря, наши нынешние взаимо-
отношения с окружающей средой весьма
далеки от устойчивости. Наши действия
приводят к ее истощению и деградации.
Если так будет продолжаться и впредь,
среда в конце концов станет непригодной
для жизни.
Значит, то, что мы имеем, явно от-
личается от того, что мы хотим. Сущест-
вует старинная китайская поговорка, не-
сущая при всей своей простоте глубокий
смысл:
Если не получаешь желаемого,
измени свои действия.
Способны ли мы на это?
Я уверен в ответе: Да! Иначе я бы не
тратил времени на написание этой книги
и преподавание науки об окружающей
среде. Я также уверен, что каждый из Вас,
изучающих эту науку, сможет изменить
ситуацию. Перемены касаются самого
взгляда на проблему и глубины ее пони-
мания, а также смысла, который мы при-
даем различным сторонам жизни. Наши
ценности меняются по мере понимания
проблем, а поступая в соответствии с пе-
ВВЕДЕНИЕ
13
ресмотренными ценностями, мы изме-
няем ситуацию. В самом деле, бережное
отношение к окружающей среде ведет к
хорошо заметным переменам во взглядах
и действиях.
Исторически так сложилось, что, прес-
ледуя определенные цели типа добычи
ресурсов, изготовления продуктов или
прокладки дорог, люди ставили во главу
угла только данную конкретную цель.
Мы просто не думали об экологических
последствиях, об оказываемых при этом
побочных воздействиях на окружающую
среду. Такой подход по своему существу
не так плох, он годится для производства
всех создаваемых человеком материаль-
ных благ, которыми мы пользуемся. И
пока народонаселение и масштабы произ-
водства были малы по сравнению с раз-
мерами Земли, экологические последствия
воспринимались как приемлемый комп-
ромисс. Другими словами, природные
пространства были столь обширны, что
для достижения поставленных целей и
получения прибыли (т. е. большей цен-
ности взамен меньшей отданной) вполне
можно было пожертвовать частью нетро-
нутой природы, равно как и некоторой
степенью чистоты воздуха и воды.
Но, очевидно, этот процесс в нашем
небеспредельном мире не может продол-
жаться бесконечно. По мере роста наро-
донаселения и масштабов производства
экологические последствия становились
все более серьезными и распространен-
ными, а природные пространства непре-
рывно сокращались. В 1960-х гг. об-
щество начало ощущать угрозу глобаль-
ного загрязнения окружающей среды. Мы
поняли, что снижение ее качества уже
нельзя считать приемлемым компромис-
сом. Произошла переоценка ценностей, и
были приняты первые меры.
Появилось множество законов, нап-
равленных на ограничение загрязнения
воздуха и воды и смягчение других по-
следствий нашего воздействия на окру-
жающую среду. В 1972 г. было образова-
но федеральное Агентство охраны окру-
жающей среды (ЕРА) для защиты нацио-
нальных земель, воздуха и водных систем;
параллельные агентства возникли на
уровне штатов, округов, населенных пунк-
тов. Гражданами создавались сотни орга-
низаций по охране окружающей среды.
Многие ученые обратились к изучению
связанных с ней проблем. Частные пред-
приниматели создали новые производства
и разработали новые продукты, служащие
для борьбы с загрязнением, размещения
отходов и т.п. Благодаря такому значи-
тельному повышению гражданской соз-
нательности и активности в 1960-1970-е гг.
этот период занял достойное место в
истории как эра природоохранного движе-
ния.
Заметный прогресс 1960-1970-х гг. тем
не менее явно не привел к решению всех
проблем. Общество, во всяком случае
временно, исчерпало свою способность
уделять главное внимание охране окру-
жающей среды. Начало и середину
1980-х гг. можно считать периодом сни-
жения общественного интереса к этим
вопросам. Однако научные исследования,
создание новых технологий и развитие
природоохранной службы продолжались.
Сейчас мы гораздо лучше понимаем весь
комплекс проблем, действия и техноло-
гии, необходимые для их решения. Су-
ществует целая сеть законов, контроль-
ных агентств и общественных организа-
ций, управляемых тысячами компетент-
ных, преданных делу профессионалов.
Пишутся учебники и читаются курсы.
Таким образом, 1980-е гг. можно считать
периодом консолидации сил и роста про-
фессионализма.
Сейчас, в начале 1990-х гг., возникли
новые проблемы. Численность населения
Земли по сравнению с 1965 г. почти
удвоилась. Если в 1960-е и 1970-е гг.
появлялись только лишь нечеткие прогно-
зы относительно кислотных дождей, раз-
рушения озонового экрана и потепления
климата, связанного с выбросом в атмос-
феру углекислого газа при горении, то
сейчас для всех очевидно: почва, вода
и многие другие жизненно необходимые
нам ресурсы приблизились к пределу их
возможного использования. В то же
время природоохранное движение
1990-х гг. может привести к быстрым и
глубоким переменам, так как подготови-
14
ВВЕДЕНИЕ
тельная работа уже проделана. Через
30-50 лет (время Вашей жизни) оно спо-
собно сделать неустойчивое сейчас разви-
тие циливизации устойчивым.
Постараюсь представить два этих
определения наглядно с помощью анало-
гии. Человек может прыгнуть с вершины
высокой скалы, убежденный в том, что
полетит. Он может даже почувствовать
эйфорию от успеха и воскликнуть, про-
летев половину пути: «Пока все отлично!»
Но все это-своего рода «жизнь взаймы»:
она уже не принадлежит ему. Его полет
«неустойчив».
Очевидно, что отрицание силы тя-
жести не приведет к умению хорошо ле-
Рис. 0-1. Охрана природной среды-единствен-
ный путь устойчивого развития. Оно означает
использование почвы, воды, воздуха, биологи-
ческих и минеральных ресурсов таким образом,
чтобы они не деградировали и не истощались,
а их качество и запасы сохранялись для
будущих поколений
тать. Однако, понимая и признавая за-
коны гравитации, а кроме того, принципы
аэродинамики, основываясь на них в своей
деятельности, можно этому научиться.
Ведь мы и в самом деле «устойчиво»
летаем, используя различные летательные
аппараты, построенные с учетом научных
принципов.
Примерно то же самое можно сказать
и о наших взаимоотношениях с окру-
жающей средой. В большинстве случаев
развитие человеческого общества проте-
кает при полном незнании или даже отри-
цании принципов, управляющих самовосп-
роизведением живых систем. Мы во мно-
гих отношениях живем «взаймы», и мно-
гочисленные стоящие перед нами эколо-
гические проблемы указывают на то, что
такое положение неустойчиво. Однако,
как не оставили мы попыток полететь,
столкнувшись с силой тяжести, так же не
следует отказываться от развития челове-
ческого общества и возвращаться к пер-
вобытной жизни. Следует лишь понять
ВВЕДЕНИЕ
15
экологические принципы и стремиться к
гармоничному развитию в соответствии
с ними. Это очень просто: концепция
устойчивого развития заключается в удов-
летворении потребностей и стремлений
сегодняшнего дня без вступления в конф-
ликт с грядущими.
К счастью, мы располагаем необхо-
димой информацией. В середине XIX в.
ученые начали изучать и открывать прин-
ципы взаимоотношений растений и жи-
вотных между собой и с окружающей
средой. Эту область биологии назвали
экологией. В 1960-е гг. стало общеприз-
нанным, что экологические принципы и
теории относятся не только к диким рас-
тениям и животным в естественных усло-
виях обитания. Они применимы и к чело-
вечеству, причем в глобальных масшта-
бах. Эту отрасль экологии, т. е. изучение
экологических принципов применительно
к человеческому обществу, необходимое
для его устойчивого развития, сейчас
часто называют наукой об окружающей
среде. В докладе Национальной академии
наук 1987 г. говорится: «Не недостаток
экологической информации приводит к
отрицательному воздействию на окру-
жающую среду, а неправильное примене-
ние этой информации». Одним словом,
у нас есть необходимые знания, позво-
ляющие сделать развитие человеческого
общества устойчивым.
Если знаний достаточно, почему до
сих пор не предпринято необходимых из-
менений? Во-первых, знания и понимание
приобретены относительно недавно. Всег-
да проходит некоторое время между
поступлением информации и проведением
политики, на ней основанной. Во-вторых,
уже есть значительный прогресс, и изме-
нения становятся все более заметными.
Но в конце концов научное понимание
это одно, а решения, что и когда де-
лать,-совсем другое. Очевидно, мы все
стремимся к устойчивой окружающей
среде. Однако у людей много и других
интересов, связанных, например, с ис-
пользованием материалов и энергии, уда-
лением отходов. Многие из их ценностей
вступают в еще не в полной мере нами
осознанное противоречие со стремлением
к охране окружающей среды, а это пре-
пятствует прогрессу.
Природоохранное движение 1990-х гг.,
массовое движение за устойчивое разви-
тие человечества будет зависить от широ-
кого осознания общественностью встаю-
щих проблем, ее бдительности, признания
новых ценностей, от требований измене-
ний и участия в них. Без такого понимания
и поддержки они нереальны; требования
людей делают их неизбежными.
Каждый из Вас участвует в формиро-
вании того, что называют «общественным
мнением» или «общественными ценнос-
тями». Поэтому
каждый из Вас будет участником
движения за устойчивое развитие.
Оценка информации
Как Вы, возможно, догадываетесь,
противоположное отношение к окружаю-
щей среде предполагает и противоречи-
вую информацию. Кому верить? Проти-
воречивая информация часто парализует
и исключает любые действия. Крайне
важны способы оценки данных. Поэтому
я посвятил оставшуюся часть этой главы
обсуждению понятий «наука» и «научный
метод». Цель такого подхода-дать Вам
возможность понять, как получают науч-
ную информацию и какие средства ис-
пользуют для ее оценки.
Что такое наука?
Наука означает как особый способ
приобретения знаний, так и сами знания,
приобретенные этим путем. Студенты в
аудитории получают информацию в
основном таким способом. Преподавате-
ли и учебники ее дают, а они изучают
и запоминают ее в меру своих способ-
ностей. Но откуда и как эта информация
изначально получена? Сопоставляя ес-
тественные науки, такие как физика,
химия, биология, почвоведение, с гума-
нитарными областями человеческой дея-
тельности-религией, философией, искус-
ством, музыкой и литературой, можно
видеть, что их истоки во многом раз-
личны.
16
ВВЕДЕНИЕ
В случае гуманитарных дисциплин
видно, что их объекты созданы челове-
ком, его вдохновением и/или талантом,
подарившими нам учение или сочинение,
настолько сильно воздействующие на
наши эмоции или разум, что мы собираем
эти сокровища духа и передаем их в поко-
лениях. Мы можем стараться превзойти
знаменитого философа, артиста, писателя
или композитора, но, как они творят свои
произведения, остается тайной.
В случае науки история тоже приводит
к конкретным личностям - ученым, сде-
лавшим открытия. Но здесь мы можем
понять, как им это удалось. Они основы-
ваются на проведенных наблюдениях и
логических выводах из наблюдаемого.
Каждый мог бы выполнить такие же опе-
рации и прийти к сходным умозаключе-
ниям. Таким образом, в науке гораздо
важнее самого ученого (хотя мы отдаем
должное его вкладу) то, что вся информа-
ция основана на наблюдениях и логических
выводах, из них вытекающих. Отсюда сле-
дует возможность ее проверки и уточне-
ния. Наука прямо противоположна при-
нятию чего-либо на веру. Ключевое пра-
вило науки-
проверять!
С течением времени искусство сбора науч-
ной информации подразделилось на ряд
последовательных этапов-появился науч-
ный метод.
Научный метод
Научный метод начинается с наблюде-
ния объектов и событий и ведет к пост-
роению теорий и их проверке. Мы рас-
смотрим эти этапы последовательно.
Наблюдения и факты
Как уже отмечалось, вся научная ин-
формация основана на наблюдениях и
подвергается объективной проверке. В
науке наблюдения ограничиваются только
ощущениями, получаемыми от пяти (нор-
ма пъных) органов чувств - зрения, слуха,
осязания, обоняния и вкуса. Это ограни-
Вся научная информация основана на внимательных
наблюдениях с использованием пяти наших чувств
Затем наблюдения должны выть проверены
другими учеными и лишь после этого
признаны фактами
Рис. 0-2. Вся наука основана на наблюдениях.
Фактами считаются наблюдения, подтвержден-
ные другими специалистами
чение делается потому, что только такие
данные можно измерить и, главное, про-
верить. Наши органы чувств, даже если
они используются с самыми благими
намерениями, могут обманываться. На
такого рода иллюзиях и основаны пред-
ставления фокусников.
Вот почему, до того как наблюдение
будет признано фактом, оно должно быть
подтверждено, или проверено. Это озна-
чает, что другие исследователи могут его
повторить, возможно, используя другие
операции, и независимо подтвердить, что
первооткрыватель был прав. Наблюде-
ния, не выдерживающие такой проверки,
не признаются научными фактами. На-
пример, кто-то утверждает, что видел
космический корабль с неземными су-
ществами, но такая информация не приз-
нается всеми, ибо наблюдения здесь не
поддаются проверке. С другой стороны,
наблюдения, выдержавшие ее, становятся
научным фактом. Но даже после этого не
исключена их дальнейшая проверка
(рис. 0-2). Именно опора на проверяемые
наблюдения закрепила за научной инфор-
ВВЕДЕНИЕ
17
мацией репутацию «точной», «фактичес-
кой», «объективной».
Важно подчеркнуть, что научные зна-
ния объективны не благодаря особому
могуществу, присущему самой науке или
ученым, а лишь из-за ограничения ее кру-
гозора вещами и событиями, поддающи-
мися наблюдению и исключению из него
любой информации, которую нельзя про-
верить. Такие понятия, как любовь, кра-
сота и духовность, для нас реальны и важ-
ны, но, так как их нельзя объективно
наблюдать и измерять, они остаются в
субъективном мире, т. е. вне науки.
Правило проверки справедливо не
только на первом, но и на всех остальных
этапах использования научного метода.
Это важнейший инструмент, позволяю-
щий отличить точную информацию от
неточной. Прежде чем признать досто-
верность каких-либо сведений, нелишне
попросить:
предъявите мне доказательства!
Гипотезы и их проверка
Очень много научной информации
можно получить с помощью одних лишь
наблюдений, не обращаясь к эксперимен-
там. Однако само собой возникает жела-
ние объяснить наблюдаемое. В некоторых
случаях ответ могут дать просто допол-
нительные наблюдения. Например: что
шумит в коробке? Не сиди сложа руки,
открой и посмотри! Но часто причину
с помощью непосредственного наблю-
дения обнаружить нельзя. Например:
пациент болен, в чем причина его бо-
лезни?
Следующий этап научного метода-
формулировка предположений относи-
тельно причины наблюдаемого явления,
а затем отсеивание тех из них, что ока-
жутся неверными, с помощью тестов или
экспериментов. Отбрасывая неверные от-
веты, Вы рано или поздно придете к
верному. Каждое предположение при
этом называют гипотезой.
Ход рассуждений, применяемый для
проверки гипотезы, можно описать сло-
вами «Если... , то...». Если гипотеза
верна, то нечто должно логически из нее
следовать. Если это «нечто» не следует,
гипотезу отбрасывают и вся процедура
повторяется со следующей гипотезой.
Например, врач выдвигает гипотезу, что
заболевание пациента вызвано вирусом.
Тогда проводят эксперименты для про-
верки наличия вируса. Если вирус найден,
гипотеза о вирусной природе заболевания
подтверждена. Если нет, гипотеза отвер-
гается, и врач выдвигает и проверяет дру-
гие гипотезы. Те из них, что не соответст-
вуют дальнейшим наблюдениям, отсеи-
ваются, а логически им не противореча-
щие постепенно принимаются за истину.
Это как бы составление вопроса, предпо-
лагающего несколько вариантов ответа,
каждый из которых-гипотеза, формули-
руемая ученым. Варианты последова-
тельно проверяются, и неверные отбрасы-
ваются. Может случиться и так, что не-
верными окажутся все варианты. Значит,
ученый просто не додумался до верного
предположения. Во многих областях на-
учных исследований из-за этого годами
отсутствует прогресс. Ученый, придумав-
ший гипотезу, оказавшуюся после про-
верки в конце концов верной, удостаи-
вается большого уважения и доверия.
Эксперименты с контролем
Эксперимент по проверке гипотезы
должен быть тщательно спланирован,
чтобы можно было уверенно ответить на
вопрос, определяются ли наблюдаемые
результаты предполагаемым Вами фак-
тором или другими, неизвестными факто-
рами. Для этого в эксперименте необхо-
дим контроль. Под контролем имеется
в виду изучение двух ’групп-эксперимен-
тальной и контрольной. Эти две группы
должны быть в совершенно одинаковых
условиях, за исключением действия одного
фактора, который и проверяется. Тогда
положительный или отрицательный ре-
зультат можно связать именно с ним
(рис. 0-3). Без контрольной группы или
при нескольких различиях между груп-
пами Вы не сумеете объяснить результа-
ты, поскольку не узнаете, какой фактор
или группа факторов их определила.
18
ВВЕДЕНИЕ
ЭКСПЕРИМЕНТ БЕЗ КОНТРОЛЯ
В чем причина плохого роста? Не в порядке: свет?
температура ? вода? почвенные элементы питания ?
другие условия?
Контрольная группа, Экспериментальная группа,
получающая азот не получившая азот
В чем причина плохого роста в экспер. группе?
Условия в обоих случаях одинаковы,за исключе-
нием того, что эксперим. группа не получает азот
Рис. 0-4. Пока идея или гипотеза не проверена,
она не может считаться фактом. Эксперимен-
ты с контролем показали, что на растения
не влияет ни музыка, ни пение. Какие еще
факторы могут объяснять разницу в
росте?
Рис. 0-3. Результаты эксперимента без конт-
роля не поддаются интерпретации, так как
причиной наблюдаемого плохого роста могут
быть различные факторы. Эксперимент с конт-
ролем показывает, что рост замедляется
в отсутствие азота: это единственный фактор,
по которому различаются условия для двух
групп организмов
Заслуживают внимания два дополни-
тельных замечания относительно экспери-
ментов с контролем. Во-первых, в них
должны использоваться не отдельные
особи, а группы. Всегда существуют неко-
торые естественные различия между осо-
бями, и можно спутать их с результатами
экспериментального воздействия. Чем
больше группа, тем лучше. Во-вторых,
результаты единственного эксперимента,
особенно полученные на относительно
мелких группах, нельзя считать убеди-
тельными. Они должны пройти проверку
на воспроизводимость (рис. 0-4).
В некоторых случаях постановке экспе-
риментов с контролем может препятство-
вать долговременность, высокая стои-
мость или практическая неосуществи-
мость. Люди, например, не легко согла-
шаются стать. экспериментальными
объектами в опытах, связанных с возмож-
ным или реальным воздействием вредных
веществ. Однако человек живет в столь
разнообразных условиях и/или имеет
столь различные привычки, что исследо-
вателю, как правило, удается выделить
экспериментальную и контрольную груп-
пы людей среди обычного населения.
Например, можно сравнить достаточное
количество курящих и некурящих, чтобы
проверить гипотезы о влиянии курения на
различные аспекты здоровья, не прибегая
к лабораторным экспериментам. Такого
рода исследования называют эпидемиоло-
гическими.
Можно воспользоваться этими пред-
ставлениями, чтобы отличить достовер-
ную информацию от недостоверной.
Ключевые вопросы, которые следует за-
дать, следующие: существовал ли в экспе-
рименте или эпидемиологическом иссле-
довании контроль или же речь идет о
ВВЕДЕНИЕ
19
непроверенной гипотезе или эксперименте
без контроля? Если информация основана
на эксперименте с контролем, каков был
размер сравниваемых групп и подтверж-
дены ли результаты? Например, несколь-
ко лет назад соединение лэтрил приобре-
ло репутацию эффективного лекарства от
рака. Управление по контролю за качест-
вом пишевых продуктов, медикаментов
и косметических средств США (FDA)
подвергалось резкой критике за то, что не
разрешало его использование. Оказы-
вается, по данным исследований с контро-
лем, рак у людей развивается одинако-
во быстро как при употреблении лэтрила,
так и без всякого лечения.
Построение теорий
Отдельные наблюдения и эксперимен-
ты отвечают только на строго конкретные
вопросы. Однако из малых кирпичиков
информации складывается целое здание,
теория. Теория, следовательно,-это
обобщение, логически объясняющее опре-
деленный набор фактов. Построение ее
представляет собой процесс, сходный с
детективным расследованием, когда по
уликам (наблюдениям) выясняют общую
картину преступления и отвечают на воп-
рос «Кто виноват?» Теория сама по себе
не факт, так как недоступна для непос-
редственного наблюдения. Тем не менее
ее можно проверять и в зависимости от
результатов признавать или отклонять.
Проверка теорий в основном идет так
же, как в случае гипотез. Теория предска-
зывает некоторое событие, которое
можно наблюдать либо непосредственно,
либо в ходе эксперимента, используя рас-
суждение типа «Если... , то...». Если по-
лученные результаты противоречат тео-
рии, ее либо изменяют, чтобы охватить
ею новые данные, либо отклоняют в
пользу другой теории, способной дать им
разумное объяснение. В любом случае
теория развивается в соответствии со
всеми наблюдениями и эксперименталь-
ными фактами и может использоваться
для предсказания будущих результатов по
методу «Если... , то...». Когда она до-
стигает этого уровня, есть все основания
считать ее правильной интерпретацией
действительности. Например, мы никогда
не видели атомы как таковые, но много-
численные наблюдения и эксперименталь-
ные результаты вполне объясняются кон-
цепцией, согласно которой все газы, жид-
кости и твердые тела состоят из различ-
ных сочетаний пе многим более ста видов
атомов. Поэтому общепризнана атомис-
тическая теория строения вещества.
Принципы и законы природы
В ходе анализа экспериментальных
результатов могут обнаружиться опреде-
ленные тенденции или взаимосвязи между
данными. Например, если ронять пред-
меты и измерять их скорость в различных
точках полета, во всех случаях без исклю-
чения окажется, что все они падают с оди-
наковым ускорением (если пренебречь
сопротивлением воздуха). Таким обра-
зом, речь идет об основном принципе
свободного падения. Когда открыт такого
рода принцип поведения объектов, его
называют законом природы. В данном
случае имеется в виду закон тяготения.
Другим примером могут служить наблю-
дения, согласно которым в химических
реакциях атомы только перегруппировы-
ваются, но не образуются, не разру-
шаются и не изменяются. Этот принцип
называют законом сохранения массы. За-
коны термодинамики описывают особен-
ности изменения энергии.
Так как законы природы не знают
исключений, их прогностическая ценность
огромна. Можно с полной уверенностью
предсказать, что любые попытки нару-
шить или игнорировать законы природы
закончатся неудачей. Она не обязательно
будет заметна сразу же; обычно между
действием и конечным результатом су-
ществует, как в примере с человеком,
прыгнувшим со скалы, определенный пе-
риод «жизни взаймы».
Пытаясь определить, станет ли собы-
тие или процесс развиваться в требуемом
направлении, обратитесь к законам при-
роды. Это более чем очевидно в случае
прыгуна со скалы. Однако даже весьма
осведомленные люди иногда упорствуют
20
ВВЕДЕНИЕ
в заблуждениях. Так, космический корабль
многоразового пользования «Челленд-
жер» был запущен, несмотря на известное
влияние температуры на кольцевые
прокладки. Его «жизнь взаймы» соста-
вила 90 с. В середине 1980-х гг. один чело-
век предложил новый тип двигателя, ко-
торый якобы производит больше энергии,
чем потребляет (нарушение второго на-
чала термодинамики). Играя роль неприз-
нанного гения, ведущего неравную борьбу
с завистливым научным «истэблишмен-
том»,’он получил мощную поддержку в
широкой прессе и добыл несколько мил-
лионов долларов на совершенствование
своего изобретения, в то же время избегая
любой его критической проверки. В конце
концов даже его спонсоры стали настаи-
вать на демонстрации чудо-машины. Тут
и выяснилось, что все это-мистификация,
а сам он скрылся с полученной круглой
суммой. Мораль: знай фундаментальные
законы природы и, встретившись с проти-
воречащими им заявлениями, относись
к ним крайне настороженно.
Глупость, невежество и обман гораздо
более вероятны, чем исключения из зако-
нов природы.
Роль приборов в науке
Использование сложных приборов
часто создает вокруг науки некоторый
ореол тайны. Однако в них нет ничего
таинственного. Они изготовлены, чтобы
служить одной из трех целей. Во-первых,
они расширяют возможности наблюде-
ний. Например, микроскопы и телескопы
позволяют видеть более мелкие или уда-
ленные объекты, чем возможно невоору-
женным глазом, а различные детекторы
улавливают недоступные для органов
чувств рентгеновские и радиоволны. Все
приборы, используемые в науке, сами
подлежат проверке, пока не подтвердится,
что они адекватно отражают природные
явления, а не создают отсутствующие в
природе образы или иллюзии.
Во-вторых, и простые приборы типа
линейки или термометра, и такие слож-
ные, как радиотелескоп, позволяют коли-
чественно оценивать наблюдаемое, про-
водить измерения. Например, мы ощу-
щаем холод, но термометр позволяет
точно определить, насколько холодно.
Нас «бьет» электрическим током, но спе-
циальный измерительный прибор точно
определяет напряжение в сети. Сравнение
и проверка наблюдений были бы невоз-
можны без количественных оценок.
Наконец, приборы помогают созда-
вать условия и выполнять операции, тре-
буемые для экспериментов с контролем,
например поддерживать постоянную тем-
пературу и влажность среды.
Наука и технология
Фундаментальная, или чистая, наука
подразумевает приобретение знаний ради
них самих без вопросов о том, как их
использовать и можно ли их вообще
использовать. Она основана только на
стремлении человека к расширению кру-
гозора. Технология же, напротив,-
использование научных знаний ради
достижения определенной цели. Она
основана на желании решить практичес-
кую задачу или получить конкретный ре-
зультат. Технология может двигаться
вперед методом проб и ошибок, посте-
пенно накапливая опыт того, что можно
и чего нельзя. Таким образом сделаны
некоторые самые удачные изобретения.
Однако неудач было гораздо больше.
Метод проб и ошибок обычно чрезвычай-
но расточителен в плане времени, денег,
а иногда и человеческих жизней.
С другой стороны, принципы, законы
природы и теории могут эффективно ис-
пользоваться инженерами для достиже-
ния желаемых целей. Например, вполне
осуществим запуск человека на Луну ме-
тодом проб и ошибок, но какова будет
цена? Строго же следуя соответствующим
теориям и законам, можно сделать это
с первой попытки.
Таким образом, технологический прог-
ресс использует знания, полученные фун-
даментальной наукой. Но и она в свою
очередь зависит от технологии по двум
основным причинам. Во-первых, техноло-
гия разрабатывает новые приборы, рас-
ширяющие возможности наблюдений и
ВВЕДЕНИЕ
21
проверки гипотез. Во-вторых, это «испы-
тательный полигон» для новых теорий
и принципов. Тот факт, что технологичес-
кое новшество работает, доказывает пра-
вильность положенных в основу конст-
рукции теорий и принципов. Например,
полет человека на Луну и его успешное
возвращение - весомый аргумент в пользу
теорий движения планет и гравитацион-
ных взаимодействий. Таким образом,
наука и технология взаимно обогащаются.
Итак, научный подход позволяет поз-
навать устройство мира. В свою очередь,
используя технологию и действуя в соот-
ветствии с полученными знаниями, можно
достичь желаемых результатов. Мы не
просто мечтаем летать на Луну, мы ра-
ботаем в рамках необходимых для реше-
ния этой задачи теорий и законов при-
роды и добиваемся успеха.
Неразрешимые вопросы
и противоречия
Очевидно, что наука развивается пос-
тупательно. Каждый новый эксперимент
или прибор для наблюдений приносит
новую информацию вне зависимости от
того, подтверждает она гипотезу или
опровергает ее. В свою очередь эта ин-
формация поднимает новые вопросы и
т. д. Чтобы как следует проверить все
альтернативные гипотезы и прийти к
твердым выводам, необходима большая
исследовательская и/или эксперименталь-
ная работа. Прогресс науки идет особенно
медленно в областях, касающихся, нап-
ример, изменений климата или деграда-
ции лесов, когда ставить эксперименты
с контролем затруднительно. Неразре-
шимые научные противоречия вполне
оправданы, если предложено несколько
правдоподобных гипотез, ожидающих
адекватной проверки.
Когда же гипотеза или теория счи-
тается соответствующим бразом прове-
ренной и признается верной? После ис-
пользования метода исключения. Невер-
ные гипотезы и теории отвергаются на
основе экспериментов, показывающих,
что они не соответствуют наблюдениям.
Если же гипотезы и теории подтверж-
даются экспериментально, они заслужи-
вают доверия. Но кто может поручиться,
что мы предвидели все возможные аль-
тернативы и провели все необходимые
проверки? Может существовать другая
гипотеза или теория, которая еще лучше
объясняет наблюдения, или же общепри-
нятая теория в конце концов войдет в
противоречие с новыми наблюдениями и,
следовательно, окажется ошибочной.
В этом несовершенство науки. Любую
теорию невозможно подкрепить абсолют-
ными доказательствами. Происходит
лишь накопление свидетельств, направ-
ленных на подтверждение одной теории
и опровержение других. При этом ког-
да-нибудь большинство людей придут к
выводу (основываясь на ценностном под-
ходе, а не на науке), что доказательств
достаточно, т. е. предложенная теория
верна, и будут действовать в соответствии
с ней. Однако существуют и такие, осо-
бенно преследующие имущественные ин-
тересы, которые просто эксплуатируют
невозможность науки представить абсо-
лютные доказательства, в то же время
требуя их от нее. Институт табака, дейст-
вующий в интересах табачной промыш-
ленности, - прекрасный пример этого. Он
не перестает подчеркивать недоказанность
связи между курением и ухудшением здо-
ровья, указывая на необходимость допол-
нительных исследований. Играя на отсут-
ствии абсолютных доказательств и прос-
то игнорируя огромное количество накоп-
ленных свидетельств этой связи, он весь-
ма успешно затягивал принятие решений,
ограничивающих курение.
Теорию можно также оспаривать,
утверждая, что, поскольку она не является
доказанным фактом, не менее верна аль-
тернативная теория. Не позволяйте за-
путать себя такого рода аргументами.
Хотя, действительно, любая теория-это
не доказанный факт; она может быть
подкреплена огромным количеством сви-
детельств, тогда как у другой будет мало
доказательств или вообще их не будет. На
какую сторону Вы встанете?
Изучи существующие свидетельства,
взвесь их для себя. Остерегайся мнений,
которые могут в большей степени отра-
22
ВВЕДЕНИЕ
жать имущественные интересы, а не стрем-
ление к истине.
Наука и ценностный подход
Наука позволяет лучше понять объек-
тивный мир. При этом мы используем
знания для достижения конкретных целей.
Но наука не может указать, к каким целям
следует стремиться. Что и когда делать,
какую задачу или линию поведения пред-
почесть - такого рода решения опреде-
ляются ценностным подходом, т. е. мо-
ральными, религиозными, этическими и
эмоциональными сторонами нашей жиз-
ни. Например, наука позволила понять
свойства атомов, а вот решение, следует
или нет использовать эти знания для соз-
дания ядерного оружия, основано на цен-
ностном подходе, весьма далеком от
науки. В то же время научные знания
помогают определить истинные ценности,
предсказывая последствия конкретных
действий. Здесь опять применимо рассуж-
дение типа «Если... , то...». Например,
если возникнет крупномасштабный ядер-
ный конфликт, то, в сущности, будет
уничтожена вся жизнь на Земле.
Кроме того, сама наука не требует от
нас следования определенным принципам
или теориям. Можно, например, предна-
меренно или по неосмотрительности иг-
норировать принципы и теории строи-
тельного дела. Наука только предсказы-
вает, что здание рухнет.
Наука об окружающей среде
и области ее приложения
Как изложенное выше связано с нау-
кой об окружающей среде? Изучая взаи-
моотношения растений и животных в
естественных условиях, ученые открыли
основные экологические принципы и зако-
ны, определяющие устойчивое существо-
вание жизни на Земле. Должно быть ясно,
что, если человеческая цивилизация,
включая сельское хозяйство, промышлен-
ность и т. д., нуждается в устойчивости,
она должна соответствовать этим зако-
нам и принципам. Однако до сих пор мы
развивали ее, в основном руководствуясь
представлениями и прихотями, которые
слабо соотносятся с естественными эко-
логическими законами. Этот процесс на-
поминает сооружение небоскреба без уче-
та строительных принципов. Действи-
тельно, нарастание числа проблем, свя-
занных с состоянием окружающей среды
и истощением ресурсов, кризисы, с кото-
рыми мы столкнулись, следствие и сви-
детельство неверного пути развития. Не
исключено, что мы уже стоим на краю
пропасти. Однако можно избежать паде-
ния и пойти по пути устойчивого разви-
тия, осознав основные экологические
принципы и приспособив к ним челове-
ческую цивилизацию.
В первой части этой книги рассмот-
рены экологические теории и принципы,
а также пути их применения в человечес-
ком обществе. Последующие части пос-
вящены конкретным проблемам, касаю-
щимся окружающей среды и природных
ресурсов, способам их разрешения путем
признания экологических принципов и
следования им.
В конце концов от всех нас зависит,
считать ли устойчивое развитие целью,
достойной усилий и жертв, необходимых
для ее достижения.
Часть
ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ
И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
В 1968 г. космонавты сфотографиро-
вали Землю с поверхности Луны. Эти
снимки яснее, чем когда либо ранее, про-
демонстрировали, что наша планета-это
шар, парящий в пустынном космосе. Она
напоминает одинокий космический ко-
рабль в бесконечном путешествии. У него
нет базы, на которую можно вернуться
для ремонта, чтобы пополнить запасы
или избавиться от отходов; в его распо-
ряжении только непрерывный поток сол-
нечного излучения. Термином «космичес-
кий корабль Земля» мы обязаны футу-
ристу Бакминстеру Фуллеру, первым
взглянувшему на нашу планету с этой
новой точки зрения.
Кто стоит у штурвала космического
корабля Земля? К сожалению, никто! Но
этот корабль оснащен изумительным на-
бором самоподдерживающихся систем.
Огромное разнообразие видов растений и
животных взаимодействует так, что каж-
дый удовлетворяет свои потребности и
способствует существованию других. Воз-
дух и вода в ходе своего круговорота
непрерывно очищаются. Механизмы са-
морегуляции стремятся поддерживать все
системы в равновесии друг с другом.
Но сейчас возникают проблемы. В
частности, человек как вид увеличивает
свою численность совершенно несораз-
мерно с другими существами. Это создает
все более тяжелую нагрузку на все сис-
темы и одновременно снижает их продук-
тивность из-за загрязнения и чрезмерной
эксплуатации. Естественные механизмы
регуляции разлаживаются. Очевидно,
такое положение вещей на борту косми-
ческого корабля Земля не может быть
устойчивым и чревато катастрофическими
последствиями. Роскошь учиться мето-
дом проб и ошибок непозволительна,
когда на карту поставлена судьба всего
мира. Мы должны понять, как работает
космический корабль Земля, и научиться
подчинять свою деятельность задачам его
сохранения.
В этой первой части книги мы рас-
смотрим основные принципы работы
нашего космического корабля. Их пони-
мание требует изучения природных эко-
систем: что они собой представляют, как
функционируют, регулируются, разви-
ваются и изменяются. Используя научный
метод, мы будем рассматривать каждый
вопрос, сначала описывая сделанные наб-
людения, а затем демонстрируя, как они
привели к формулировке современных
теорий и принципов. Понимание этих
теорий и принципов позволит яснее уви-
деть, к чему могут привести современные
тенденции и как следует изменить чело-
веческую деятельность, если наше об-
щество стремится к устойчивому разви-
тию.
1
Экосистемы-что это такое?
Раздел
I. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРИМЕРЫ ЭКОСИС-
ТЕМ .......................26
II. СТРУКТУРА ЭКОСИСТЕМ .... 29
А. Биотическая структура..............29
1. Категории организмов .... 29
а. Продуценты.............29
б. Консументы.............32
в. Детритофаги и редуценты . . 34
2. Пищевые связи: пищевые цепи, пи-
щевые сети и трофические уров-
ни ..............................37
3. Непищевые взаимоотношения 38
а. Мутуалистические взаимоот-
ношения .....................38
б. Конкурентные взаимоотноше-
ния .........................41
Б. Абиотические факторы...........41
Учебные вопросы
1. Дайте определения биосферы, вида, экосис-
темы, растительного сообщества, биома,
экологии, эколога.
2. Назовите, охарактеризуйте и укажите
географическое положение основных био-
мов Северной Америки.
3. Что такое «экосистема человека»? Как она
включена в биомы?
4. Дайте определения терминов структура,
биота, биотическая и абиотическая струк-
тура экосистемы.
5. Назовите три основные категории организ-
мов, образующих экосистемы.
6. Что такое продуценты! Какова их роль?
Назовите и охарактеризуйте ключевой про-
цесс, требующий их участия. Укажите раз-
личия между органическим и неорганичес-
ким веществом.
7. Что такое консументы! Приведите приме-
ры, иллюстрирующие их многообразие.
Назовите основные типы консументов и
дайте их определение.
8. Что такое детрит! Чем детритофаги и
редуценты отличаются от других консу-
ментов? Чем редуценты отличаются от
других детритофагов? Какие две крупные
группы организмов относятся к редуцен-
там?
9. Дайте определения пищевой цепи, пищевой
сети, трофических уровней, биомассы. Расп-
ределите различные категории организмов
по трофическим уровням. Сопоставьте от-
носительную биомассу на разных трофи-
ческих уровнях. Почему она так сильно
различается?
10. Назовите и охарактеризуйте разные типы
непищевых взаимоотношений между орга-
низмами.
11. Назовите и охарактеризуйте различные
абиотические факторы.
1. ЭКОСИСТЕМЫ-ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
25
1. Оптимум, стрессовые зоны, пре-
делы устойчивости .............. 41
2. Закон лимитирующих факто-
ров 42
12. На примере любого из абиотических фак-
торов дайте определения оптимума, стрес-
совой зоны, пределов устойчивости. Разли-
чаются ли они у разных видов?
13. Что такое лимитирующий фактор! Какие
наблюдения привели к формулировке за-
кона лимитирующих факторов? Сформули-
руйте его.
III. ПОЧЕМУ В РАЗНЫХ РЕГИОНАХ
СФОРМИРОВАЛИСЬ РАЗНЫЕ ЭКО-
СИСТЕМЫ?..................43
А. Климат.........................43
Б. Другие абиотические факторы и
микроклимат.................45
В. Биотические факторы.........47
Г. Физические барьеры..........47
Д. Взаимодействие биотических и абио-
тических факторов 47
IV. ЭКОЛОГИЯ И ЧЕЛОВЕК .... 48
14. На примере любого вида дайте определе-
ние плотности популяции. Как последняя
зависит от абиотических факторов?
15. Каковы важнейшие климатические факто-
ры? Чем они различаются в разных
частях земного шара? Сравните их с
оптимумами и пределами устойчивости
различных видов. Почему в разных ре-
гионах существуют разные биомы? Дайте
определение микроклимата. Покажите на
примерах, каким образом другие абиоти-
ческие факторы влияют на распростране-
ние видов. Как оно ограничивается биоти-
ческими факторами и физическими барье-
рами? Опишите возможные взаимодейст-
вия биотических и абиотических факторов,
ограничивающие распространение видов.
16. Что может произойти с экосистемой при
изменении одного из абиотических или
биотических факторов?
17. Сравните экосистему человека с другими
экосистемами. В чем состоит их сходство?
Каковы их различия, в частности, с точки
зрения лимитирующих факторов? Обсуди-
те, каким образом человечеству удалось
преодолеть действие лимитирующих фак-
торов, ограничивающих распространение
других видов. Каковы результаты взаимо-
действия экосистемы человека и других
экосистем? Устойчиво ли оно? Объясните,
почему нет. Есть ли здесь какая-либо аль-
тернатива? Что понимается под устойчи-
вым развитием? Могут ли люди расширить
пределы своей устойчивости? Приведите
примеры уже предпринимаемых попыток
такого рода.
Космический корабль Земля уникален
среди планет Солнечной системы. В тон-
ком слое, где встречаются и взаимодейст-
вуют воздух, вода и земля, обитают уди-
вительные объекты - живые существа,
среди которых и мы с вами. Этот слой,
населенный организмами, взаимодейст-
вующими с воздухом (атмосферой), водой
(гидросферой) и земной корой (литосфе-
рой), называется биосферой. Все живые
существа, и мы в том числе, зависят от
сохранения ее целостности. Если слишком
сильно изменить какую-либо из состав-
ляющих биосферы^ последняя может пол-
ностью разрушиться. Не исключено, что
атмосфера, гидросфера и литосфера при
этом сохранятся, но в их взаимоотноше-
ниях уже не будет участвовать живое.
26
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Каким же образом мы, люди, угрожаем
целостности биосферы? Что мы должны
сделать, чтобы предотвратить возмож-
ную катастрофу?
Полное понимание этих вопросов и
поиск ответов на них невозможны без
основательных знаний о живых и неживых
компонентах биосферы, об их взаимо-
действиях, поддерживающих ее существо-
вание как единого целого. Как клетки
представляют собой функциональные
единицы организмов, так и экосистемы -
это функциональные единицы биосферы.
Прийти к пониманию ее функциониро-
вания можно, наблюдая и изучая экосис-
темы. Поэтому наша задача в данной
главе-разобраться в том, что они собой
представляют и как различные условия
определяют их существование, работу и
изменения.
Определение и примеры
экосистем
На протяжении данной и последую-
щих глав часто будет употребляться сло-
во вид. Им обозначают определенные
категории растений, животных и микро-
бов (микроскопических организмов). Наи-
более четким критерием вида служит спо-
собность к взаимному скрещиванию сос-
тавляющих его особей. При этом они
дают потомство того же вида. Скрещива-
ние особей разных видов, как правило,
невозможно. Так, лошади и собаки-это
различные виды. Однако все породы со-
бак принадлежат к одному виду, посколь-
ку могут скрещиваться друг с другом.
Такие внутривидовые подразделения на-
зывают расами (у животных) или разно-
видностями (у растений).
Экосистему можно определить как со-
вокупность различных видов растений,
животных и микробов, взаимодействую-
щих друг с другом и с окружающей их
средой таким образом, что вся эта сово-
купность может сохраняться неопреде-
ленно долгое время. Данное определение
представляет собой очень сжатое описа-
ние наблюдаемых в природе фактов; по-
нять его помогут примеры, многие из
которых Вам, вероятно, хорошо знакомы.
Если ехать по США от Атлантическо-
го океана до Тихого, машрут пересечет по
очереди листопадные леса восточного по-
бережья, поражающие художников свои-
ми яркими осенними красками, затем
злаковые прерии центральных штатов,
пустыни с характерными кактусами на
юго-западе страны и, наконец, вечнозе-
леные хвойные леса в горах западных
штатов. Если отклониться от этого марш-
рута в сторону, то в северной Канаде и по
вершинам гор Вы встретите безлесные
пространства-тундру, а в экваториаль-
ных областях-дождевые тропические
леса.
При ближайшем рассмотрении замет-
но, что каждый из перечисленных ланд-
шафтов характеризуется особым расти-
тельным сообществом, т.е. группировкой
определенных растений. Например, лис-
топадные леса образованы различными
породами лиственных деревьев и ассоци-
ированными с ними травянистыми вида-
ми, а в прериях господствуют злаки и не-
которые сопутствующие им растения. Для
каждого такого сообщества характерен
определенный набор животных. Напри-
мер, среди крупных млекопитающих Се-
верной Америки олень связан с восточ-
ными листопадными лесами, бизон-с
прериями (по крайней мере был, пока
люди его не истребили), лось-с хвой-
ными лесами, а карибу (северный олень) -
с арктической тундрой. Следует, однако,
помнить, что мелкие животные (мыши,
птицы, насекомые, земляные черви и т. д.)
во всех экосистемах гораздо многочис-
леннее и их суммарный живой вес (био-
масса) намного больше. Наконец, с любой
экосистемой связан еще менее заметный,
но характерный для нее набор микробов (в
основном - бактерий и грибов), питаю-
щихся мертвыми растительными и жи-
вотными остатками.
Итак, речь идет об определенных
группировках растений, животных и мик-
робов, взаимодействующих друг с другом
и с окружающей средой. Мы знаем, что
такие группировки существовали задолго
до появления человека и при отсутствии
нарушений с его стороны могут сохра-
няться неопределенно долго. Каждая из
Рис. 1-1. Распространение основных типов биомов по земному шару. Нередко их подразделяют на подтипы (с разрешения D. К. Northington,
J. R. Goodin. The Botanical World, St. Louis, Times Mirror/Mosby College Publishing, 1984)
28
Ч. 1. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
них вместе со своей средой и есть эко-
система.
Очень крупные наземные экосистемы
типа перечисленных выше называются
биомами. Их краткие описания даны в
прил. 1-7 (с. 50-55), а на рис. 1-1 пока-
зано их географическое распределение.
Каждый биом включает в себя целый ряд
меньших по размерам, связанных друг
с другом экосистем. Одни из них могут
быть очень крупными-площадью в мил-
лионы квадратных миль (1 кв. миля %
»2,6 км2), другие представлять собой,
например, небольшой лесок. Важно то,
что любую экосистему (по крайней мере-
с точки зрения исследователя) можно
определить как более или менее специ-
фическую группировку растений и живот-
ных, взаимодействующих друг с другом
и со средой. Существует и множество
типов водных экосистем - ручьи, реки,
озера, пруды, болота, - каждая со своим
характерным набором растений, живот-
ных и микроорганизмов. Океаны также
можно подразделить на отдельные эко-
системы: коралловые рифы, континен-
тальный шельф, абиссаль и т.д.
Выделение в ландшафте различных
экосистем производится достаточно
произвольно. Четкие границы между
ними встречаются редко. Обычно между
экосистемами или биомами находится
переходная зона с видами и особеннос-
тями, свойственными обеим соседствую-
щим системам (рис. 1-2). Иногда их
контакт обусловливает специфические
условия среды, определяющие существо-
вание здесь особых видов растений и жи-
вотных, присущих только данной пере-
ходной зоне (рис. 1-3), которая, таким
образом, сама по себе может рассматри-
ваться как отдельная экосистема.
Экосистемы не изолированы друг от
друга. Множество видов растений и жи-
вотных можно встретить в двух или нес-
кольких различных экосистемах, а неко-
торые виды, например перелетные птицы,
в зависимости от времени года мигри-
руют между экосистемами. Процессы в
одной экосистеме неизбежно затрагивают
и другую. Так, частицы почвы и элементы
питания, вымываемые с суши, могут
влиять на жизнь в водоемах. Следова-
тельно, все экосистемы взаимосвязаны и
взаимозависимы.
Люди вместе со своими культурными
растениями и домашними животными
также образуют группировку организмов,
Степь
Переходная зона Широколиственный лес
1. ЭКОСИСТЕМЫ-ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
29
Рис. 1-3. Переходная зона нередко представля-
ет собой особое местообитание со своими
специализированными видами. Поэтому ее
можно рассматривать как отдельную эко-
систему
взаимодействующих друг с другом и со
средой. Это тоже экосистема - экосистема
человека, взаимодействующая со всеми
прочими экосистемами планеты. Таким
образом, все экосистемы Земли, включая
человеческую, взаимосвязаны и образуют
в своей совокупности единое целое -био-
сферу.
Науку, изучающую экосистемы и
взаимодействия организмов друг с дру-
гом и со средой, называют экологией,
а ученых, ведущих такие исследования, -
экологами.
Структура экосистем
Чтобы сохранить целостность био-
сферы, нужно выяснить, как она функ-
ционирует. Сначала познакомимся со
структурой экосистем, т. е. с их состав-
ными частями и путями взаимодействия
последних, обеспечивающими сохранение
единого целого. В каждой экосистеме два
основных компонента: организмы, с од-
ной стороны, и факторы окружающей их
неживой среды-с другой. Всю такую со-
вокупность организмов (растений, живот-
ных, микробов) называют биотой (от лат.
bio-жизнь) экосистемы. Пути взаимо-
действия разных категорий организмов -
это ее биотическая структура; неживые
(химические и физические) факторы окру-
жающей среды называют абиотическими.
Биотическая структура
Категории организмов
Несмотря на громадное разнообразие
экосистем-от дождевых тропических ле-
сов до пустынь, всем им, по мнению
экологов, свойственна примерно одина-
ковая биотическая структура. Другими
словами, все они включают одни и те же
основные категории организмов, взаимо-
действующих друг с другом стереотип-
ным образом. Эти категории следующие:
продуценты, консументы, детритофаги и
редуценты.
Продуценты-это в основном зеленые
растения, осуществляющие фотосинтез,
т. е. процесс превращения воды и дву-
окиси углерода (поглощаемой из воздуха
или воды) в сахара с выделением в ка-
честве побочного продукта кислорода,
для чего необходима световая энергия. Из
сахаров и минеральных элементов пита-
30
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Рис. 1-4. Продуценты. Содержащие хлорофилл
зеленые растения поглощают световую энер-
гию и используют ее для синтеза глюкозы из
углекислого газа и воды, выделяя в качестве
побочного продукта кислород. Из глюкозы
вместе с получаемыми из почвы минеральными
биогенами образуются все ткани растений, что
и обусловливает рост последних
ния (биогенов), получаемых из почвы или
воды (рис. 1-4), растения синтезируют все
сложные вещества, входящие в состав их
организма. Молекула, с помощью кото-
рой они улавливают световую энергию,
необходимую для фотосинтеза,-зеленый
пигмент хлорофилл. Таким образом, фо-
тосинтезирующие растения легко узнать
по их зеленому цвету. Они очень разно-
образны-это и микроскопические одно-
1. ЭКОСИСТЕМЫ -ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
31
НЕОРГАНИКА
ОРГАНИКА
Рис. 1-5. Органика и неорганика. Простые
химические вещества, из которых состоят
воздух, вода, минералы горных пород и почвы,
называются неорганическими. Сложные соеди-
нения, образующие ткани растений и живот-
ных, относятся к органическим. Превращение
неорганических веществ в органические осу-
ществляют продуценты в процессе фотосинтеза
с использованием световой энергии. Обратный
процесс - разложение органики до неорганики-
происходит с высвобождением энергии при
горении или брожении. С химической точки
зрения в органических соединениях присут-
ствуют связи углерод-углерод и углерод-
водород, которых нет в неорганических
веществах
клеточные водоросли, и средние по вели-
чине злаки и кактусы, и гигантские де-
ревья. Итак, для каждой крупной экосис-
темы (как водной, так и наземной) ха-
рактерны свои специфические зеленые
растения, осуществляющие фотосинтез.
Иногда зеленый цвет хлорофилла не раз-
личим из-за преобладания красных или
коричневых пигментов. Однако фотосин-
тез идет и в красных, и в бурых водорос-
лях.
Простые химические вещества, из ко-
торых состоят воздух, вода и минералы
горных пород и почвы, называются неор-
ганическими, а сложные соединения типа
белков, жиров и углеводов, образующих
ткани растений и животных,-органичес-
кими (рис. 1-5). Таким образом, фотосин-
тезирующие растения используют свето-
вую энергию, чтобы продуцировать все
сложные органические соединения своего
тела из простых неорганических (двуокиси
углерода, воды, минеральных биогенов),
присутствующих в окружающей среде.
При этом энергия света накапливаете0
в органических соединениях наряду с
химическими элементами.
Все животные и другие организ-
мы-непродуценты питаются органичес-
ким веществом, используя его как источ-
ник энергии и материал для формирова-
ния своего тела. Таким образом, фото-
синтезирующие растения продуцируют
пищу для всех остальных организмов эко-
системы. Именно поэтому их называют
продуцентами. Однако не все растения-
продуценты; грибы (шляпочные, плесне-
вые и т.д.) и даже некоторые цветковые
виды, например подъельник (рис. 1-6), не
содержат хлорофилла и не способны к
фотосинтезу. Как и животные, они пи-
таются органикой.
Итак, все живые организмы биосферы
можно подразделить на две категории. Те
из них (главным образом фотосинтези-
рующие растения), что с помощью энер-
гии окружающей среды способны синте-
зировать необходимые им органические
32
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Рис. 1-6. Подъельник - цветковое растение, не
относящееся к продуцентам. Этот вид питается
не путем фотосинтеза, а готовыми органичес-
кими веществами, как и животные (фото
автора)
соединения из неорганических, относятся
к продуцентам. Все остальные, потреб-
ляющие органику как источник вещества
и энергии, называются консументами.
Консументы-это самые разнообраз-
ные организмы от микроскопических бак-
терий до громадных синих китов. К ним
относятся такие не похожие друг на друга
существа, как простейшие, черви, рыбы,
моллюски, насекомые и прочие членисто-
ногие, пресмыкающиеся, птицы и, нако-
нец, млекопитающие, включая человека.
С точки зрения структуры экосистем их
можно подразделить на ряд подгрупп в
соответствии с различиями в источниках
пищи.
Животные, питающиеся непосредст-
венно продуцентами, будь то огромные
слоны или крошечные растительноядные
клещи, называются первичными консумен-
тами. Их самих употребляют в пищу вто-
ричные консументы. Например, кролик,
который ест морковку,-это первичный
консумент, а лиса, охотящаяся на кроли-
ка,-вторичный. Бывают консументы
третьего, четвертого и более высоких по-
рядков, причем некоторые виды живот-
ных соответствуют нескольким таким
уровням. Например, когда человек ест
овощи, он первичный консумент, питаясь
говядиной - вторичный, а если он ест
рыбу, питающуюся другими животными,
которые в свою очередь употребляют в
пищу водоросли, то выступает в роли
консумента третьего порядка.
Первичные консументы, т. е. живот-
ные, питающиеся только растениями, на-
зываются растительноядными или фито-
фагами. Консументы второго и более
высоких порядков-плотоядные. Виды, с
равным успехом употребляющие в пищу
как растения, так и животных, относятся
к всеядным.
Если одно животное охотится на дру-
гое и в конечном счете убивает и съедает
его, первое называют хищником, а вто-
рое-жертвой. При этом говорят, что
между ними существуют взаимоотноше-
ния хищник-жертва.
Еще одна важная группа консумен-
тов-паразиты, т. е. организмы, которые
тесно связаны со своими «жертвами» и
питаются ими в течение длительного вре-
мени, но, как правило, не убивают (по
крайней мере сразу), хотя обычно причи-
няют им вред. Растение или животное,
выступающее при этом в роли жертвы,
называется хозяином. В данном случае
говорят о взаимоотношениях хозяин-па-
разит. Паразитами могут быть самые
разнообразные организмы. Наиболее из-
вестный пример-глисты, но к высокоспе-
циализированным паразитам относятся
Рис. 1-7. Разнообразие паразитов. Чуть ли не
в каждой крупной группе организмов хотя бы
некоторые виды ведут паразитический образ
жизни. А. Растение-паразит повилика (фото
Steve Simon). Б. Эндопаразит-кишечный
ленточный червь (фото Сельскохозяйственного
департамента США). В. Эктопаразит минога
(фото Службы рыбных ресурсов и диких
животных США)
1. ЭКОСИСТЕМЫ-ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
33
34
Ч. 1. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
также бактерии и другие микроорга-
низмы, вызывающие болезни растений и
животных. Возбудители ряда заболеваний
растений и животных, включая человека
(например, эпидермофитии стопы), - пара-
зитические грибы. Даже некоторые выс-
шие растения, в частности повилика
(рис. 1-7, А), паразитируют на других
растениях и с экологической точки зрения
должны считаться консументами. Прак-
тически в каждой крупной группе организ-
мов, включая млекопитающих (летучие
мыши из семейства вампиров), есть хотя
Рис. 1-8. Основные пищевые связи между
организмами
бы несколько видов-паразитов. Как видно
из примеров, представленных на рис. 1-7, Б
и 1-7, В, паразиты могут прикрепляться
к хозяевам и жить как внутри, так и на
поверхности их организма.
Различные типы консументов приве-
дены на рис. 1-8.
Детритофаги и редуценты. Мертвые
растительные и животные остатки, на-
пример опавшие листья, гибнущие в не-
благоприятные сезоны побеги трав, фе-
калии и т. д., называются детритом. Су-
ществует множество специализированных
на питании им организмов; такие консу-
менты называются детритофагами. При-
мерами могут служить грифы, земляные
черви, многоножки, раки, термиты, му-
Продуценты
Консументы
1. ЭКОСИСТЕМЫ-ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
35
Рис. 1-9. Редуценты. Тысячи видов грибов
(здесь изображены несколько их типов)
относятся к редуцентам. Внешне они сходны
с растениями, но питаются мертвым органи-
ческим веществом, напоминая этИлМ животных.
Результаты их питания-гниение, разложение,
разрушение мертвой органики, например
древесины или опавших листьев. Многие виды
бактерий также относятся к редуцентам (фото
автора)
равьи, куки-дровосеки и т.д. Как и в
случае с обычными консументами, раз-
личают первичных детритофагов, питаю-
щихся непосредственно детритом, вто-
ричных и т.д.
Наконец, значительная часть детрита
в экосистеме, в частности опавшие листья
и валежная древесина, в своем исходном
виде не поедается животными, а гниет
и разлагается в процессе питания грибов
и бактерий. Большинство видов бактерии
не относится к болезнетворным, а пред-
ставляет собой безвредных детритофагов.
Грибы бывают плесневыми, шляпоч-
ными, рогатиковыми, трутовиками, дож-
девиками и т.д. (рис. 1-9). Собственно
«грибом» мы обычно называем плодовое
тело, т. е. репродуктивную структуру,
представляющую собой лишь небольшую
часть целого организма. Она соединена
с обширной сетью микроскопических
корневидных волокон (гиф)-грибницей,
или мицелием, - пронизывающей отмер-
шие листья, древесину и другие виды дет-
рита. Мицелий выделяет пищеваритель-
ные ферменты, разлагающие сложную
органику детрита до более простых моле-
кул, и поглощает их в качестве питатель-
ных веществ (рис. 1-10). Даже когда гриб
растет как будто на неорганической почве,
его мицелий в действительности погло-
щает из нее органические вещества. Бак-
терии - микроскопические одноклеточные
организмы-питаются сходным образом.
Грибы и некоторые бактерии обра-
зуют громадные количества спор (репро-
дуктивных клеток), микроскопические
размеры которых позволяют им легко
разноситься воздушными потоками. Сле-
довательно, их можно найти в окружаю-
щей нас среде практически повсюду. По-
этому рост грибов и бактерий (а как
2*
36
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Рис. 1-10. Гниение или разложение органичес-
кого вещества обычно представляют собой
результат питания грибов или бактерий.
А. Схема процесса питания грибного мицелия.
Б. Фотография мицелия среди частиц мертвой
древесины (увеличение в 100 раз, фото
автора)
следствие-гниение и разложение органи-
ки) наблюдается везде, где позволяют
условия температуры и влажности и где
не приняты специальные меры защиты.
Посмотрите, например, что происходит
с пищей, когда она хранится на открытом
воздухе.
Поскольку грибы и бактерии столь
специфичны, их обычно выделяют в осо-
бую подгруппу детритофагов и называют
редуцентами. Однако в любой экосистеме
все детритофаги и редуценты играют одну
и ту же роль. Они питаются мертвым
органическим веществом и при этом раз-
лагают его. Бактерии и грибы-первичные
детритофаги. Они в свою очередь служат
пищей таким организмам, как простей-
шие, клещи, насекомые и черви, живущие
в почве и в воде (рис. 1-11). Многие грибы
(например, трюфели) используются в
пищу человеком и считаются деликате-
сами. Когда грибы и другие редуценты
отмирают, они сами превращаются в дет-
рит и служат источником энергии и пита-
тельных веществ для других детри гофа-
гов и редуцентов.
Таким образом, несмотря на много-
образие экосистем, все они обладают
структурным сходством. В каждой из
них можно выделить фотосинтезирующие
растения-продуценты, различные типы
консументов, детритофагов и редуцентов.
Некоторые организмы при этом не укла-
дываются в рамки одной категории, а
играют различную роль в зависимости от
ситуации. Прекрасным примером здесь
могут служить насекомоядные растения.
Тем не менее биотическая структура эко-
систем описывается именно перечислен-
ными терминами.
1. ЭКОСИСТЕМЫ-ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
37
Рис. 1-11. Пищевая сеть, начинающаяся с
детрита. Редуценты-это не конечное звено.
Сами детритофаги - грибы и бактерии - служат
пищей для многих других почвенных организ-
мов, которые в свою очередь поедаются более
крупными консументами
Пищевые связи: пищевые цепи,
пищевые сети и трофические уровни
При изучении биотической структуры
экосистем становится очевидным, что к
числу важнейших взаимоотношений между
организмами относятся пищевые. Можно
проследить бесчисленные пути движения
вещества в экосистеме, при которых один
организм поедается другим, тот - третьим
и т. д. Ряд таких звеньев называется пище-
вой цепью. Простейшие примеры приве-
дены на рис. 1-12.
Если проследить конфигурацию пище-
вых цепей, обнаружится, что они лишь
в редких случаях изолированы друг от
друга. Гораздо чаще представители некой
популяции фитофагов питаются сразу
несколькими видами растений и в свою
очередь служат пищей для различных
видов хищников. Таким образом, практи-
чески все пищевые цепи соединены между
собой и образуют сложную сеть пищевых
взаимоотношений, поэтому для обозна-
чения всей их совокупности обычно
используется термин пищевая сеть.
Несмотря на многообразие возмож-
ных пищевых цепей и сложность пищевых
сетей, все они соответствуют простой
общей схеме и ведут от продуцентов к
первичным консументам (или первичным
детритофагам), от них - к вторичным кон-
сументам (вторичным детритофагам) и
т. д.
Продуценты, первичные, вторичные и
т.д. консументы и детритофаги - разные
уровни этой общей схемы; их называют
трофическими. В переводе «трофический»
означает «пищевой». Все продуценты от-
носятся к первому трофическому уровню;
все первичные консументы независимо от
того, живыми или мертвыми продуцен-
тами они питаются,-ко второму; орга-
низмы, питающиеся первичными консу-
ментами,-к третьему и т.д. Можно упо-
добить пищевые связи потоку питатель-
ных веществ и энергии от одного трофи-
ческого уровня к другому. Пищевые цепи,
пищевые сети и трофические уровни
иллюстрирует рис. 1-13.
Сколько же бывает трофических уров-
ней? Обычно в экосистемах их насчиты-
вают не более трех-четырех. Такой вывод
вытекает из простых наблюдений. Общую
массу организмов (их биомассу) на каж-
дом трофическом уровне можно измерить
38
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Рис. 1-12. Простые пищевые цепи. Пища
(строительный материал и энергия) поступает
от одного организма к другому по путям,
получившим название пищевых цепей. В приро-
де они редко изолированы друг от друга,
в подавляющем большинстве случаев взаимо-
связаны и образуют сложную пищевую
сеть
путем сбора (или отлова) и последующего
взвешивания соответствующих выборок
животных и растений. Показано, что на
каждом трофическом уровне биомасса на
90-99% меньше, чем на предыдущем.
Допустим, биомасса продуцентов на
участке луга в один акр (^0,4 га) состав-
ляет 10 т; тогда биомасса фитофагов на
той же площади будет не более 100 кг,
а плотоядных видов-не более 10 кг. Оче-
видно, существование большого числа
трофических уровней невозможно из-за
быстрого приближения биомассы к нулю.
Графически это можно представить в виде
пирамиды биомассы (рис. 1-14).
Причина резкого снижения биомассы
при повышении трофического уровня зак-
лючается главным образом в том, что
большая часть потребляемой пищи
используется огранизмами для получения
энергии, а на формирование тел консу-
ментов ее идет относительно мало. Под-
робнее эти и сопряженные с ними про-
цессы будут рассмотрены в гл. 2.
Все пищевые цепи начинаются с про-
дуцентов. Без непрерывного образования
ими органического вещества экосистема
быстро съела бы сама себя и прекратила
существование.
Непищевые взаимоотношения
Мутуалистические взаимоотношения.
Как было показано выше, в структуре
экосистем преобладают пищевые взаимо-
отношения. Под ними, как правило, по-
нимается, что один из видов извлекает
выгоду, а другому в той или иной степени
наносится вред. Однако существует не-
мало случаев, когда виды вступают во
взаимовыгодные отношения. Этот фено-
мен носит название мутуализма. Класси-
ческим примером служит группа расте-
ний, известная как лишайники (рис. 1-15).
(Не надо путать с ними мхи. Для мхов
характерен ясно различимый стебель с
многочисленными мелкими зелеными
листьями. Лишайники обычно серозеле-
ные по цвету и напоминают внешне корки
1. ЭКОСИСТЕМЫ ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
39
3-й трофический
уровень
Все первичные
плотоядные
Рис. 1-13. Три термина, описывающие перенос
питательных веществ и энергии в экосистеме.
Каждый из обозначенных стрелками путей от
основания к вершине представляет собой
пищевую цепь. Взаимосвязанные пищевые цепи
образуют пищевую сеть. Разные этапы
переноса-трофические уровни
Суммарная
масса всех
плотоядных
Суммарная
масса всех
фитофагов
Суммарная
масса всех
продуцентов
Биомасса
= третьего *ф
трофического
уровня
Биомасса
= второго
трофическо-”
го уровня
Биомасса
= первого
трофическо-
го уровня
Отрезки пирамиды отражают
долю овщей Биомассы сообщества
на каждом трофическом уровне
Рис. 1-14. Пирамида биомассы. Если пред-
ставить ее количество на разных трофических
уровнях графически, получится такой
рисунок
40
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Рис. 1-15. Лишайники. Напоминающие корку
«растения», часто встречающиеся на камнях
или деревьях, на самом деле состоят из гриба
и водоросли, находящихся в мутуалистических
взаимоотношениях (фото Сельскохозяйствен-
ного департамента США, Служба охраны
почв)
или чешуйки.) На самом деле они обра-
зованы двумя организмами-грибом и
водорослью. Гриб обеспечивает водорос-
ли защиту, позволяя ей выживать в сухих
местообитаниях, где в одиночку она су-
ществовать не в состоянии; водоросль как
продуцент снабжает гриб питанием.
Другой пример - взаимоотношения
между цветками и насекомыми. Насеко-
мые получают выгоду, собирая с цветков
нектар, а те при этом опыляются. Третий
пример - коралловые рифы. Некоторые
рыбы невосприимчивы к стрекающему
действию образующих коралл полипов
и в результате могут питаться детритом,
скапливающимся на рифах и вокруг них.
Таким образом они получают выгоду от
доступа к обильным запасам пищи, а
коралл при этом очищается от ила.
Подобные взаимоотношения часто на-
зывают симбиотическими. Однако этот
термин (от греч. sym-вместе; bio-живу-
щий) означает любые тесные прижизнен-
ные взаимосвязи между двумя организ-
мами, включая как мутуализм, так и па-
разитизм.
Взаимовыгодные отношения можно
понимать гораздо шире тесных связей,
проиллюстрированных выше. Например,
растительный детрит составляет боль-
шую часть пищи редуцентов и почвенных
детритофагов типа земляных червей. Зна-
чит, эти организмы получают выгоду от
растений, но и самим растениям они по-
лезны, так как своей жизнедеятельностью
обеспечивают высвобождение из детрита
биогенов и поддержание плодородия
почвы, о чем будет говориться в гл. 7.
Еще один пример. Многие птицы
используют растительность как материал
для постройки гнезда и как убежище.
Однако и растительное сообщество по-
лучает при этом пользу, поскольку птицы,
питаясь, снижают численность многих на-
секомых-фитофагов .
Даже во взаимоотношениях хищник-
жертва существуют определенные выгоды
для обеих сторон. Поедание отдельных
особей-жертв, обычно больных или сла-
бых, как правило, полезно для их популя-
1. ЭКОСИСТЕМЫ-ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
41
ции в целом, так как поддерживает ее в
здоровом состоянии и не позволяет вы-
расти настолько, что это приведет к
истощению ресурсов среды.
Конкурентные взаимоотношения. Рас-
тущие бок о бок растения должны кон-
курировать между собой за воду, биоге-
ны, свет и пространство как таковое.
Конкуренция между растениями различ-
ного типа может существенным образом
отражаться на характере экосистемы в
целом, о чем мы подробнее поговорим
в следующем разделе. Однако животные
в природной экосистеме, если и конкури-
руют друг с другом непосредственно, то
редко, если не считать случая интроду-
цированных видов. Конкуренция сводится
к минимуму за счет того, что разные виды
животных адаптированы к питанию не-
одинаковой пищей, в разных местах и/или
в разное время.
Итак, теперь должно быть ясно, что ни
один организм не существует вне связи
с другими. Каждый может жить, только
взаимодействуя с окружающими в рамках
экосистемы. Устойчивые экосистемы -
основное условие устойчивости жизни на
Земле.
Абиотические факторы
Как уже говорилось, организмы -
лишь одна составляющая экосистемы;
вторая-это окружающая их среда. Хими-
ческие и физические факторы среды назы-
вают абиотическими (от греч. а-не; bio-
живущий). К ним относятся свет, темпе-
ратура, вода, ветер, химические биогены,
pH (кислотность), соленость и огонь.
Естественно, все эти факторы действуют
на организмы одновременно. Степень
присутствия или отсутствия каждого из
них существенно отражается на жизнеспо-
собности организмов, но неодинаково в
случае разных видов. Это сильно влияет
на экосистему в целом. Ниже мы проил-
люстрируем такое утверждение приме-
рами. Однако сначала необходимо понять
два фундаментальных принципа, описы-
вающих реакцию организмов на абиоти-
ческие факторы.
Оптимум, стрессовые зоны,
пределы устойчивости
Для разных видов условия, в которых
они особенно хорошо себя чувствуют,
неодинаковы. Например, некоторые рас-
тения предпочитают очень влажную
почву, другие - относительно сухую. Одни
требуют сильной жары, другие лучше
переносят более холодную среду и т.д.
В лабораторных экспериментах эти раз-
личия проявляются особенно четко.
Растения выращивают в нескольких
камерах, где контролируются все абиоти-
ческие факторы; при этом один из них,
скажем температуру, можно по опреде-
ленной схеме изменять, оставляя все про-
чие на постоянном уровне. Очевидно, что
такого рода эксперимент (с контролем)
необходим для отделения температурного
влияния от действия остальных факторов.
Результаты показывают, что по мере
повышения температуры от некой точки,
при которой рост вообще невозможен,
растение развивается все лучше и лучше,
пока интенсивность роста не достигнет
максимального уровня. Затем при даль-
нейшем повышении температуры расте-
ние будет чувствовать себя все хуже и
хуже, у него появятся нарушения и в ко-
нечном итоге оно погибнет. Графически
это отражено на рис. 1-16.
Точка, при которой наблюдается мак-
симальный рост, называется оптимумом.
Как правило, это некий диапазон темпе-
ратур, составляющий несколько градусов,
поэтому лучше говорить о зоне оптимума.
Весь интервал температур от минималь-
ной до максимальной, при которых еще
возможен рост, называют диапазоном
устойчивости. Точки, ограничивающие
его, т. е. максимальная и минимальная
пригодные для жизни температуры, - это
пределы устойчивости. Между зоной опти-
мума и пределами устойчивости по мере
приближения к последним растение испы-
тывает все нарастающий стресс, т. е. речь
идет о стрессовых зонах в рамках диапа-
зона устойчивости.
Сходные эксперименты можно про-
вести и для проверки влияния других фак-
торов, причем результаты графически
42
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Рис. 1-16. У каждого фактора, влияющего на
рост, размножение и выживание организма,
есть оптимальный, т. е. наилучший для послед-
него, уровень. По мере удаления от оптимума
вниз и вверх по шкале усиливается стресс,
и в конечном итоге по достижении пределов
устойчивости организма тот погибает. Общий
интервал значений фактора между верхним
и нижним пределами устойчивости называется
ее диапазоном. Оптимум и пределы устойчи-
вости у разных видов неодинаковы
всегда будут соответствовать кривой та-
кого же типа. Естественно, не для каждого
вида выяснялось воздействие всех воз-
можных абиотических факторов, однако
повторяемость наблюдаемых тенденций
позволяет заключить, что речь идет о
фундаментальном биологическом прин-
ципе. Для каждого вида (растений и жи-
вотных) существуют оптимум, стрессо-
вые зоны и пределы устойчивости в отно-
шении каждого средового фактора.
Кроме того, подобные эксперименты
демонстрируют, что виды могут сущест-
венно различаться с точки зрения опти-
мальных условий и пределов устойчи-
вости. Например, количество воды, опти-
мальное для одного вида, вызывает
стресс у другого и приводит к гибели
третьего. Некоторые растения вообще не
переносят заморозков (т. е. падение тем-
пературы до О °C и ниже ведет к их
гибели), другие способны выжить при
небольших холодах, а есть и такие, для
которых несколько недель отрицательных
температур-необходимое условие завер-
шения жизненного цикла. То же самое
справедливо и в отношении всех прочих
факторов. Однако, если оптимумы и пре-
делы устойчивости у разных видов и не-
одинаковы, их общие диапазоны устой-
чивости могут в значительной степени
перекрываться.
Закон лимитирующих факторов
Описанные выше эксперименты и наб-
людения позволяют заметить следующий
важный принцип. У нас шла речь об
изменении только одного фактора, когда
остальные как бы соответствуют зоне
оптимума. Значит, мы наблюдали дейст-
вие так называемого закона лимитирую-
щих факторов: даже единственный фак-
тор за пределами зоны своего оптимума
приводит к стрессовому состоянию орга-
низма и в пределе-к его гибели.
Такой фактор называют лимитирую-
щим. Отметим, что это может относиться
к любому влияющему на рост параметру,
которого «слишком много» или «слиш-
ком мало». Например, стресс и гибель
растений вызываются как чрезмерным
поливом и избытком удобрений, так и
недостатком воды и питательных ве-
ществ. Это прекрасно знают садово-
ды-любители.
Закон лимитирующих факторов был
впервые изучен и сформулирован Юсту-
сом фон Либихом в 1840 г. в ходе его
наблюдений за влиянием на растения
химических удобрений. Он обнаружил,
что ограничение дозы любого из них ве-
дет к одинаковому результату - замедле-
нию роста. Поэтому сформулированное
им правило называют еще законом мини-
мумов Либиха.
Дальнейшие наблюдения показали,
что он относится ко всем влияющим на
организм биотическим и абиотическим
факторам. Это может быть, например,
конкуренция со стороны другого вида,
присутствие хищника или паразита. И в
самом деле, поскольку в земледелии к
лимитирующим факторам часто относятся
1. ЭКОСИСТЕМЫ-ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
43
«вредители», на борьбу с ними тратятся
миллиарды долларов. Следует подчерк-
нуть, что сформулированный закон при-
меним и к растениям, и к животным.
Почему в разных регионах
сформировались разные
экосистемы?
Теперь, выяснив, что такое лимити-
рующие факторы, можно поставить сле-
дующие вопросы. Почему экосистемы в
разных регионах неодинаковы? Что пре-
пятствует замещению одной экосистемы
другой?
Основная причина-своеобразие абио-
тических условий каждого региона. Плот-
ность популяции (число особей на единицу
площади) любого вида будет наивысшей
там, где все параметры среды для него
оптимальны. Она снизится, но все же не
упадет до нуля, если значения одного или
нескольких абиотических факторов среды
окажутся для данного вида стрессовыми.
Рис. 1-17. Наибольшее обилие особей вида
наблюдается в оптимальных для него усло-
виях, меньшее - там, где условия менее благо-
приятны. За пределами устойчивости вида его
представители не встречаются
Наконец, вид отсутствует там, где вели-
чина хотя бы одного из факторов выходит
за его пределы устойчивости (рис. 1-17).
Исследуем эти положения более детально.
Климат
Два абиотических фактора - темпера-
тура и количество осадков (дождя и/или
снега) - определяют размещение по зем-
ной поверхности основных наземных био-
мов, примеры которых были приведены
выше. Режим температуры и осадков на
некоторой территории в течение доста-
точно долгого периода времени и есть то,
что мы называем климатом. Климат в
разных районах земного шара весьма
неодинаков. Годовая сумма осадков ме-
няется от практически 0 до 2500 мм и
более; при этом они выпадают равномер-
но в течение года (примерно одинаковое
количество каждый месяц) или их основ-
ная доля приходится на определенный-
влажный - сезон. Среднегодовая темпера-
тура также варьирует от отрицательных
величин до почти 38 °C. Температуры
бывают либо почти постоянными в тече-
ние всего года (вблизи экватора), либо
меняются по сезонам. Более того, разные
режимы температуры и осадков соче-
таются между собой весьма неодинако-
вым образом.
Специфика климатических условий в
свою очередь определяет развитие того
или иного биома. Для перечисленных
выше биомов они приведены в приложе-
ниях 1-7 (с. 50-55). Влага-основной
фактор, определяющий разделение эко-
систем на лесные, степные и пустынные.
Это происходит следующим образом.
Годовая сумма осадков ниже 1000 мм
соответствует стрессовой зоне для многих
видов деревьев, а предел устойчивости
большинства из них составляет около
750 мм/год. В то же время у большинства
злаков такой предел значительно ниже-
примерно 250 мм/год, а кактусы и другие
специализированные пустынные растения
способны произрастать даже при 50—100 мм
осадков в год. Соответственно в местах
с количеством осадков выше 750 мм/год
обычно развиваются леса, от 250 до
44
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
750 мм/год-злаковые степи, а там, где их
выпадает еще меньше, растительность
разрежена и представлена кактусами, по-
лынями и видами перекати-поля, из-
вестными своей засухоустойчивостью;
такие районы называют пустынями. При
промежуточных значениях годовой сум-
мы осадков, как нетрудно предположить,
развиваются экосистемы переходного
типа (лесостепи, полупустыни и т. д.),
поскольку диапазоны устойчивости боль-
шинства характерных видов основных
Рис. 1-18. Абиотические факторы и основные
биомы. Влажность обычно главный фактор,
определяющий тип биома. Например, при
достаточно большом количестве осадков, как
правило, развивается лесная растительность;
температура при этом будет определять тип
леса. Точно так же обстоит дело со злаков-
никами и пустынями. Смена типов расти-
тельности в холодных регионах происходит
при меньших годовых суммах осадков, так как
при низких температурах меньше воды
теряется на испарение. Температурный фактор
становится главным только в очень холодных
условиях с вечной мерзлотой
биомов существенно перекрываются.
Температура также очень важна для
определения характера экосистемы. Од-
нако, за исключением самых холодных
регионов, занятых тундрой или поляр-
ными льдами, этот фактор играет в ка-
ком-то смысле вторичную роль по срав-
нению с осадками. Так, при их количестве
750 мм/год и более развиваются лесные
сообщества, а температура лишь обуслов-
ливает, какой именно тип леса будет
формироваться в регионе. Например,
ельники и пихтарники характерны для
холодных регионов с мощным снежным
покровом зимой и коротким вегетацион-
ным периодом, т.е. для севера (Канада)
или высокогорий. Листопадные деревья
также в состоянии переносить морозную
зиму, но требуют более долгого вегета-
ционного периода, поэтому преобладают
на умеренных широтах (центральная
часть США). Мощные вечнозеленые ши-
роколиственные породы с быстрым рос-
том, не способные выдержать даже крат-
ковременных заморозков, доминируют в
тропиках (вблизи экватора). Точно так же
Очень
—I долгая су-
рЖязиМа'
мерзлота
тундра —-^777*^^*
Прохладный
климат
с суровыми
зимами
ДЮ--.1-
^лово-пмхтовыйлес.
I Л ,л•* ‘" Высоко
.ДНцзкотравная травка.
Листопадный лес
___ «Я*1 V
Умеренный
сезонный
климат
(зимы с отри-
цательными
температура-
ми)
Жаркая
пустыня
у// //
’’ /It ft*» 1Л ».г
10 15 20 25 30 35
Количество осадков, дюймы в год
Жаркий
климат
(вез заморозков)
1. ЭКОСИСТЕМЫ-ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
45
любая территория с годовой суммой
осадков менее 250 мм представляет собой
пустыню, но по своей биоте пустыни жар-
кого пояса существенно отличаются от
свойственных холодным регионам.
Кроме того, от температуры зависит
испарение воды. Чем теплее, тем быстрее
теряется выпавшая с осадками влага.
Следовательно, в жарких районах пус-
тыни сменяются злаковниками, а послед-
ние-лесами при большей годовой сумме
осадков, чем в холодных.
Наконец, на севере Евразии и Север-
ной Америки зима настолько холодная,
а лето настолько короткое, что тепла
хватает лишь на то, чтобы сошел снег
и оттаяли самые верхние горизонты
почвы. Ниже в ней постоянно сохраняется
лед; это явление называется вечной мерз-
лотой. Она ограничивает распространение
на север еловых и пихтовых лесов, по-
скольку препятствует глубокому проник-
новению корней в почву, но не мешает
произрастанию карликовых морозоустой-
чивых растений тундры. При дальнейшем
понижении температуры последняя сме-
няется полярными ледяными пустынями.
Зависимость растительного покрова от
температуры и влажности схематически
представлена на рис. 1-18.
Другие абиотические
факторы и микроклимат
Действие многих абиотических факто-
ров, включая рельеф, ветер, тип почв и
т. д., проявляется опосредованно - через
температуру и/или влажность (рис. 1-19).
В результате на небольшом участке зем-
ной поверхности климатические условия
могут существенно отличаться от средних
для данного региона в целом. Такие
локальные условия называются микро-
климатом. Его особенности служат при-
чиной разнообразия экосистем в пределах
биома. Так, в листопадных лесах востока
Рис. 1-19. Такие абиотические факторы, как
рельеф, ветер, тип почв, влияя на температуру
и влажность, определяют и различия в
условиях среды, т. е. в микроклимате. Ряд
других факторов, например pH и соленость,
оказывают непосредственное воздействие на
экосистемы
Гранит
Низкий
Очень <
сухо /ZWW/77
//Ветер, прямые
///солнечные лучи
/уI (сильное испарение)
Теплее
Прохладнее
Влажнее
Каменистая
почва(хоро-
ший дренаж)
> Затененные участки
/ (славое испарение)
'/Богатые почвы (хорошо
Пойма—' УДфкиваютводу)
__ |Г ’‘1
’*•'* W... Постоянное
увлажнение
„v. “ —--------—------—-—
Высокая^
5оленость-_--г
46
Ч. I, ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Рис. 1-20. Специфические абиотические факто-
ры порой определяют тип растительности. В
центральной части Калифорнии раститель-
ность, характерная для этой климатической
зоны, не развивается на тихоокеанском по-
бережье из-за высокой концентрации в почве
приносимых брызгами прибоя солей. Здесь
селятся только некоторые солеустойчивые
суккуленты (фото автора)
1. ЭКОСИСТЕМЫ-ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
47
США на теплых и сухих, обращенных на
юг склонах растут иные древесные по-
роды, нежели на холодных и более влаж-
ных северных.
Разнообразие экосистем определяется
и особенностями почв, от которых зави-
сит доступность влаги. На востоке США
дубы и гикори обычно доминируют на
каменистых, хорошо дренированных поч-
вах, а буки и клены-на более богатых,
лучше удерживающих влагу. В полу-
пустынях (250-500 мм осадков в год) на
почвах с высокой водоудерживающей
способностью растут злаки, а на слабо
задерживающих влагу песках - только
пустынные виды.
В ряде случаев в роли главных лимити-
рующих факторов выступают не только
температура и влажность, но и некоторые
другие абиотические параметры среды.
Например, высокую засоленность полосы
морского берега, обдаваемой брызгами
прибоя, выдерживает относительно не-
много видов растений. В результате здесь
развиваются уникальные сообщества со-
леустойчивых (галофильных) растений
(рис. 1-20). Кислотность или щелочность
почв (pH) также порой играет роль лими-
тирующего фактора. Это особенно важно
в связи с проблемой кислотных дождей.
Биотические факторы
В роли лимитирующих нередко высту-
пают и биотические факторы, т. е. воздей-
ствие одних видов на другие. Так, при
годовой сумме осадков выше 750 мм ус-
ловия для развития злаковников вполне
благоприятны. Однако такая же влаж-
ность способствует и росту деревьев, зате-
няющих злаки, что приводит к гибели
последних. Таким образом, фактор, пре-
пятствующий развитию злаковников на
влажных территориях,- биотический, а
именно конкуренция с более высокими
растениями. Распространение растений
может ограничиваться и присутствием оп-
ределенных фитофагов (в частности, насе-
комых) или грибов-паразитов.
Концепция лимитирующих факторов
применима и к распространению живот-
ных. Ограничивать его могут опять же
как биотические (недостаток пищи, хищ-
ники, паразиты), так и абиотические (от-
сутствие водоемов для питья, подходя-
щих мест для гнездования, слишком низ-
кие температуры и т.д.) условия среды.
Физические барьеры
Еще один фактор, препятствующий
проникновению видов из одних экосистем
в другие,-физические барьеры, которые
тот или иной вид преодолеть не в состоя-
нии, например моря, пустыни, горные
хребты. Поэтому экосистемы, развиваю-
щиеся на разных континентах или на да-
леких от них островах в сходных абиоти-
ческих условиях, могут сильно различать-
ся по видовому составу. В тех случаях,
когда организмы преодолевают такие
барьеры, например, с помощью человека,
нередко происходит успешное «вторже-
ние» заносных (интродуцированных) ви-
дов в новые для них сообщества. Порой
это оборачивается экологическими катас-
трофами, поскольку «успех» пришельцев
означает нарушение (если не полное раз-
рушение) сложившихся пищевых сетей.
Соответствующие примеры будут под-
робно рассмотрены в гл. 3.
Взаимодействие биотических
и абиотических факторов
Если иногда и удается вычленить от-
дельный фактор, играющий лимитирую-
щую роль в какой-то конкретной ситуа-
ции, следует помнить, что ни один из
факторов не действует в одиночку. Конеч-
ное состояние-это всегда результат мно-
гочисленных взаимодействий различных
абиотических и биотических условий. По-
рой связь между первопричиной и конеч-
ным результатом сложна и запутана. На-
пример, засуха может привести к гибели
птиц, а это обусловит рост численности
насекомых-фитофагов, которыми они пи-
тались, что повлечет за собой массовое
поражение растений, служащих пищей
другим консументам, и т.д. Практически
любой из факторов, влияющий на один
вид, будет опосредованно воздействовать
и на другие виды за счет различных су-
48
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
ществующих в экосистеме взаимосвязей.
Особенно важно то, что любая реакция на
условия среды продуцентов неизбежно-
через пищевую сеть - отразится и на всех
остальных организмах.
Вполне возможно, Вы уже почувство-
вали некоторое утомление от перечисле-
ния существующих в природе взаимосвя-
зей. Если это так, значит, в Вашем вос-
приятии достигнут очень важный рубеж,
Вы осознали, что степень сложности здесь
бесконечна. Итак, главный вывод ясен:
существование экосистем поддерживает-
ся очень тонким взаимодействием лими-
тирующих факторов, влияющих на все
виды организмов. Нельзя изменить какой-
либо из этих факторов, не затронув в той
или иной степени существования всех ви-
дов экосистемы. Следовательно, измене-
ние любого биотического или абиотичес-
кого фактора неизбежно приведет в дей-
ствие цепную реакцию с далеко идущими
последствиями.
Экология и человек
Первобытные люди жили мелкими
племенами охотников-собирателей, ины-
ми словами, «кормились от земли», охо-
тясь на диких животных и собирая семена,
орехи, корни, ягоды и другую раститель-
ную пищу, которую им удавалось отыс-
кать. Поселения их были невелики и отно-
сительно недолговечны, поскольку, когда
пищевые ресурсы территории истоща-
лись, люди были вынуждены откочевы-
вать на новое место. Такие первобытные
охотники-собиратели во многом напоми-
нали других всеядных консументов естест-
венных экосистем.
Однако около 10 тыс. лет назад про-
изошло одно очень существенное измене-
ние: возникло сельское хозяйство. Земле-
делие, по сути дела, представляет собой
процесс отбора отдельных дикорастущих
видов, расчистки пространства для их вы-
ращивания и создания прочих условий
для того, чтобы на нем развивались пре-
имущественно данные растения. При этом
они защищены человеком он конкуренции
(с ^эрняками) и потенциальных консумен-
тов, а также (в случае необходимости)
обеспечиваются дополнительным питани-
ем (удобрениями) и водой. Аналогичным
образом домашние животные охраняются
от хищников и получают корма для оп-
тимального роста и развития. В течение
тысячелетий многие культурные растения
и одомашненные животные существенно
изменились в результате селекции и гиб-
ридизации и теперь сильно отличаются от
своих диких предков, однако суть сельско-
го хозяйства осталась неизменной.
С его развитием люди стали создавать
свою собственную, отличную от естест-
венных экосистему человека. Это стало
важным поворотным пунктом в их исто-
рии. Впервые у людей появилась возмож-
ность более или менее стабильно обеспе-
чивать себя пищей. Кроме того, это поз-
волило им перейти к разделению труда:
одни продолжали крестьянствовать, в то
время как остальные смогли посвятить
себя другим видам деятельности. Гаран-
тированное обеспечение пищей и разделе-
ние труда позволили создавать постоян-
ные поселения-сначала деревни, а за-
тем и крупные города. Люди смогли за-
няться производством дополнительных
материальных благ и другими делами,
что в конечном счете привело к становле-
нию современного сложноорганизованно-
го общества.
С точки зрения «мощности» (способ-
ности к росту, размножению и распрост-
ранению) человеческая экосистема пред-
ставляет собой исключение среди прочих.
Ее возникновение позволило людям по
меньшей мере в 10 000 раз увеличить
свою численность (которая возросла с не-
скольких сот тысяч человек до более
5 млрд.) и расселиться по всей планете.
Однако это не означает, что принцип ли-
митирующих факторов, действующих в
естественных экосистемах, к нашей, чело-
веческой, экосистеме неприменим. Просто
способность человека мыслить и изготов-
лять орудия труда позволила ему, по
крайней мере временно, преодолеть дей-
ствие обычных лимитирующих факторов.
В природе к ним относятся пища, вода,
хищники и паразиты, подходящие место-
обитания и конкуренция с другими вида-
ми. Преодолеть их действие мы смогли:
1. ЭКОСИСТЕМЫ-ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
49
1) в изобилии производя продовольст-
вие (хотя с его распределением все еще
возникают проблемы);
2) создав водохранилища и подведя
воду в населенные пункты и на поля;
3) создав средства борьбы с хищника-
ми и многими болезнетворными организ-
мами;
4) построив жилища и научившись
обогревать или охлаждать их по собствен-
ному желанию;
5) выиграв в конкурентной борьбе с
другими видами.
Таким образом, избавление от при-
родных лимитирующих факторов позво-
лило человеческой экосистеме вырасти
и распространиться по всему свету; про-
цесс этот идет и сейчас мы продолжаем
вырубать, выжигать, распахивать и пус-
кать под бульдозер естественные экосис-
темы, чтобы занять все большее и боль-
шее пространство. Кроме того, серьезные
удары по ним наносят загрязнение среды
и эксплуатация для получения древесины
и пушнины. Ни одна экосистема на Земле
не избежала определенного влияния чело-
века, а многие из них, небольшие по
размерам, уже полностью уничтожены.
Даже целые биомы, например степи, поч-
ти исчезли с лица земли, а тропические
леса быстро приближаются к этой роко-
вой черте: каждый год сейчас они уничто-
жаются на площади около 100 тыс. км2.
Я не предлагаю полностью отказать-
ся от использования ресурсов дикой при-
роды. Конечно, мы в очень большой сте-
пени зависим от достижений и творческой
способности цивилизации, поддерживаю-
щей наше существование в рамках челове-
ческой экосистемы; без нее мы оставались
бы первобытными людьми, зависящими
от капризов природы и живущими в пеще-
рах. В то же время нам надо тщательно
контролировать свое воздействие на окру-
жающую среду в целом, следить за тем,
все ли идет так, как мы хотим, или же
стоит как-то изменить свое взаимодейст-
вие с ней. Нельзя забывать, что, во-пер-
вых, даже единственный фактор, не соот-
ветствующий зоне оптимума, уже приво-
дит к стрессу и угрозе для организма, а,
во-вторых, изменение любого, биотическо-
го или абиотического, фактора вызывает
цепную реакцию с далеко идущими послед-
ствиями. Современные тенденции разви-
тия ведут к изменениям условий среды
в глобальных масштабах-это и кислот-
ные дожди, и разрушение озонового экра-
на, и потепление климата из-за поступле-
ния в атмосферу двуокиси углерода при
сжигании топлива. Еще более резко изме-
няется среда на огромных территориях
в результате различных форм загрязнения
и водопотребления. Налицо полное раз-
рушение многих экосистем, приносимых
в жертву развитию человечества. Нако-
нец, большой вред естественным экоси-
стемам наносит непосредственное истреб-
ление различных видов животных и расте-
ний ради кратковременной коммерческой
выгоды, а также случайная или целена-
правленная интродукция видов из одних
экосистем в другие.
Все эти процессы быстро ведут (а в ря-
де случаев уже привели) к серьезным нару-
шениям (если не к полному уничтожению)
природных экосистем и к вымиранию ха-
рактерных для них организмов. Сегод-
няшние тенденции угрожают существова-
нию сотен тысяч, а возможно, и миллио-
нов, видов растений и животных. Неужели
мы хотим, чтобы через 50 лет от боль-
шинства редких сейчас растений, живот-
ных и экосистем сохранились только му-
зейные экспонаты и фотографии? Или
все-таки есть смысл изменить ситуацию?
Ценность диких видов и естественных
экосистем не только эстетическая. На-
сколько сильно изменится облик планеты,
прежде чем мы осознаем, в какой оказа-
лись ловушке? Да, мы в состоянии конт-
ролировать собственную среду обитания
настолько, насколько это необходимо,
чтобы обезопасить себя, например, от не-
посредственных эффектов климатических
изменений, однако мы не в силах защи-
тить от них сельскохозяйственные культу-
ры. Загрязнение воздуха, изменения кли-
мата, разрушение озонового экрана, кис-
лотные дожди, деградация многих биоти-
ческих факторов-все это вполне может
подорвать основы стабильного продо-
вольственного обеспечения.
Сейчас наша человеческая экосистема
50
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
находится в стадии быстрого роста, тем
не менее мы не в состоянии ни изменить
закона лимитирующих факторов, ни избе-
жать их воздействия. В значительной сте-
пени мы поддерживаем собственное су-
ществование за счет эксплуатации вод-
ных, почвенных и энергетических ресур-
сов. Когда их запасы истощатся, неизбеж-
но возникнут социальные конфликты,
войны и голод, чреватые разрушением
всей существующей цивилизации. Земля
может снова стать необитаемой. Этим ли
путем мы хотим следовать или стоит
изменить направление?
К счастью, есть альтернативный путь,
ведущий к устойчивому развитию. Важ-
нейшей особенностью последнего должно
стать признание пределов нашего выбора,
ограниченного такими природными фак-
торами, как, например, истощение ресур-
сов или нарушение экосистемы. Это не
значит, что надо сдерживать развитие тех-
нологии, творчества, кругозора. Однако
необходимо ограничить собственную чис-
ленность и степень нашего воздействия на
естественные экосистемы. Первые шаги
в этом направлении уже делаются. К ним
относятся планирование семьи, создание
заповедных территорий, строгие правила
землепользования, охрана природы, конт-
роль за загрязнением среды и т.п. В по-
следующих главах книги мы подробнее
остановимся на всем этом и на том, каким
образом Вы сами можете принять участие
в экологическом движении и поддержать
его.
К числу других важных аспектов ус-
тойчивого развития относится использо-
вание материалов и энергии. Мы рассмот-
рим этот вопрос в гл. 2.
Приложение 1
Леса умеренного пояса
Распространение: Западная Европа, Вос-
точная Азия, восток США.
Климат: сезонный с зимними температу-
рами ниже 0 °C (хотя и не ниже
- 12°С).
Осадки: 750-2000 мм/год.
Господствующая растительность: леса из
широколиственных листопадных по-
род деревьев (высотой до 35-45 м)-
дубов, гикори, кленов и др., у которых
Смешанный дубово-гикориевый лес в Западной
Виргии (фото William Bierley)
1. ЭКОСИСТЕМЫ ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
51
листья осенью опадают, а весной во-
зобновляются; кустарниковый подле-
сок, мхи, лишайники.
Животный мир: обильная почвенная мик-
рофауна; среди млекопитающих-бе-
лохвостый олень, дикобраз, енот,
опоссум, кролик, белка, землеройки;
среди птиц-славки, дятлы, дрозды,
совы, соколы; змеи, лягушки и сала-
мандры; среди рыб-форель, окунь,
сом и др.
Прочие особенности: биота хорошо адап-
тирована к сезонному климату: спячка,
миграции, состояние покоя в зимние
месяцы; вегетационный период 4-6 ме-
сяцев; численность естественных хищ-
ников (волков, рысей, лис, пум и др.)
в настоящее время существенно снизи-
лась в результате охоты и нарушения
их местообитаний.
Приложение 2
Степи
Распространение: центр Северной Амери-
ки, Россия, отдельные районы Африки
и Австралии, юго-восток Южной Аме-
рики.
Климат: сезонный.
Температура: лето от умеренно теплого до
жаркого, зимние температуры ниже
О °C.
Осадки: 250-750 мм/год.
Господствующая растительность: злаков-
ники - высокотравные (до 2 м и выше
в некоторых прериях Северной Амери-
ки) или низкотравные (до 50 см высо-
той, например в степях России) с от-
дельными деревьями и кустарниками
на влажных участках.
Животный мир: крупные растительнояд-
ные млекопитающие - бизоны, вилоро-
гие антилопы (Северная Америка), ди-
кие лошади (Евразия), кенгуру (Авст-
ралия), жирафы, зебры, белые носоро-
ги, антилопы (Африка); среди хищни-
ков-койоты, львы, леопарды, гепар-
ды, гиены; разнообразные птицы и
мелкие роющие млекопитающие, на-
пример кролик, суслик, трубкозуб.
Прочие особенности: большинство степей
Северной Америки превращено в не-
обозримые поля сельскохозяйствен-
ных культур - кукурузы, пшеницы, сои;
диких копытных сменили домашние
животные - крупный рогатый скот, ов-
цы, козы.
Запад Небраски (Earth Scenes/Lynn М. Stone)
52
Ч. 1. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Приложение 3
Пустыни
Распространение: некоторые районы Аф-
рики (прежде всего - Сахара), Ближне-
го Востока и Центральной Азии; Боль-
шой Бассейн и юго-запад США; север
Мексики; другие территории с годовой
суммой осадков менее 250 мм, обычно
около 30° с. ш. и 30° ю. ш.
Климат: очень сухой.
Температура: жаркие дни и холодные но-
чи; варьирует в зависимости от ши-
роты.
Осадки: менее 250 мм/год.
Господствующая растительность: очень
редкостойный кустарник, часто колю-
чий, иногда-кактусы и низкие травы,
быстро покрывающие землю цвету-
щим ковром после редких дождей;
у растений обширные поверхностные
Кактусы (цереус гигантский) и креозотовый
кустарник в пустыне Сонора. Национальный
памятник природы Орган-Пайп на юге штата
Аризона (Tamra Nebel)
корневые системы, перехватывающие
влагу редких осадков, или стержневые
корни, проникающие в землю до уров-
ня грунтовых вод (30 м и глубже).
Животный мир: разнообразные грызуны
(например, кенгуровая крыса), жабы,
ящерицы, змеи и другие пресмыкаю-
щиеся (например, ядозуб), совы, орлы,
грифы, множество мелких птиц и насе-
комых.
Прочие особенности: пустыни занимают
более трети земной поверхности и пло-
щадь их возрастает с каждым годом
в результате влияния человека на при-
роду и климатических изменений.
Приложение 4
Хвойные леса (тайга)
Распространение: северные районы Север-
ной Америки, Европы и Азии.
Климат: долгая и холодная зима, много
осадков выпадает в виде снега.
Господствующая растительность: вечнозе-
леные хвойные леса, главным образом
еловые, пихтовые и сосновые.
Животный мир: крупные травоядные ко-
1. ЭКОСИСТЕМЫ-ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
53
Хвойный лес из туи и кипарисовика нуткан-
ского на Аляске (Earth Scenes/Breck Р. Kent)
пытные, например лоси, олень-мул, се-
верный олень (карибу), осенью мигри-
рующий в тайгу из тундры; мелкие
растительноядные млекопитающие:
заяц-беляк, белка и множество других
грызунов; волк, рысь, лисица, черный
медведь (барибал), гризли, росомаха,
норка и другие хищники; многочислен-
ны кровососущие двукрылые во время
короткого лета.
Прочие особенности: множество озер и бо-
лот; толстая лесная подстилка из хвои
и валежной древесины, поскольку хо-
лод тормозит процессы ее разложения.
Приложение 5
Тундра
Распространение: в Северном полушарии
к северу от тайги.
Аляска (Animals Animals/David С. Fritts)
54
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Климат: очень холодный с полярным
днем и полярной ночью.
Температура: среднегодовая - ниже — 5°С;
за несколько недель короткого лета
земля протаивает всего на метр в глу-
бину.
Осадки: менее 250 мм/год.
Господствующая растительность: медлен-
но растущие лишайники, мхи, злаки
и осоки, карликовые кустарники.
Животный мир: круглогодично - мелкие
роющие млекопитающие, например
лемминги, численность которых цик-
лично варьирует в очень широких пре-
делах; хищники, приобретающие зи-
мой маскирующую белую окраску,-
песец, рысь, горностай, полярная сова,
гризли; крупные травоядные копытные
(северный олень, мускусный бык),
осенью медленно мигрирующие к югу.
Прочие особенности: коротким летом в
тундре гнездится большое число пере-
летных птиц, особенно водоплаваю-
щих, которые питаются обильными
здесь насекомыми и пресноводными
беспозвоночными.
Приложение 6
Саванны
Распространение: субэкваториальная Аф-
рика и Южная Америка, значительная
часть южной Индии.
Климат: сухой и жаркий большую часть
года; обильные дожди в течение влаж-
ного сезона.
Температура: среднегодовая - высокая.
Осадки: 750-1650 мм/год, главным обра-
зом во время сезона дождей.
Господствующая растительность: злаков-
ники с редкими листопадными де-
ревьями.
Животный мир: крупные растительнояд-
ные млекопитающие, например анти-
лопы, зебры, носороги, жирафы; среди
хищников-львы, леопарды, гепарды.
Масаи-Мара, Кения, Африка (Animals Animals/
Zig Leszczynski)
1. ЭКОСИСТЕМЫ-ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
55
Приложение 7
Дождевые тропические леса
Распространение: север Южной Америки,
Центральная Америка, западная и
центральная части экваториальной
Африки, Юго-Восточная Азия, при-
брежные районы северо-запада Авст-
ралии, острова Индийского и Тихого
океанов.
Климат: без смены сезонов благодаря
близости к экватору.
Температура: среднегодовая выше 17°С,
обычно около 28°С (82°F).
Осадки: почти ежедневно дожди, сред-
негодовое количество превышает
2400 мм.
Господствующая растительность: леса с
сотнями видов деревьев до 60 м в вы-
соту; на их стволах и ветвях - расте-
Дождевой тропический лес. Карибский нацио-
нальный лес в Пуэрто-Рико (Photo Researchers/
Maurice, Sallye Landre)
ния-эпифиты, корни которых не дости-
гают почвы, и деревянистые лианы,
укореняющиеся в почве и взбирающие-
ся по деревьям до их вершин; все это
образует густой полог.
Животный мир: видов больше, чем во всех
прочих биомах, вместе взятых; экзоти-
ческие насекомые с яркой окраской;
особенно многочисленны земновод-
ные, пресмыкающиеся и птицы (ля-
гушки, ящерицы, змеи, попугаи);
обезьяны и другие мелкие млекопи-
тающие; в водоемах - ярко окрашен-
ные рыбы.
Прочие особенности: почвы обычно мало-
мощные и бедные, большая часть пи-
тательных веществ содержится в био-
массе поверхностно укорененной расти-
тельности; некоторые территории (на-
пример, в бассейне Амазонки) регу-
лярно затапливаются; дождевые тро-
пические леса сейчас в большей степе-
ни, чем другие биомы, эксплуатируют-
ся человеком и в результате находятся
под угрозой исчезновения.
2
Экосистемы: как они функционируют?
Раздел
I. ЭЛЕМЕНТЫ, ЖИЗНЬ, ОРГАНИЗАЦИЯ И
ЭНЕРГИЯ........................57
А. Организация элементов в живых и
неживых системах................57
Б. Энергия......................63
1. Вещество и энергия.........63
2. Энергия и органическое вещест-
во ..........................67
В. Изменения вещества и энергии в орга-
низмах .........................68
1. Продуценты.................68
2. Консументы.................69
а. Энергетическая роль пищи . . 69
б. Строительная роль пищи . . 70
в. Пеусвояемое вещество ... 71
3. Детритофаги и редуценты ... 72
II. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ЭКОСИСТЕМ.......................72
А. Круговорот биогенов.........72
Учебные вопросы
1. Что такое атом, молекула? Назовите шесть
химических элементов, наиболее важных
для живых организмов; в составе чего они
встречаются в окружающей среде? Срав-
ните молекулы, образующие воздух, воду
и минералы, с входящими в состав живых
организмов. В чем разница между органи-
ческими и неорганическими молекулами?
Сравните рост и разложение (сгорание) с
точки зрения судьбы органических моле-
кул; атомов. Сформулируйте закон сохра-
нения массы.
2. В чем разница между веществом и энергией',
между кинетической и потенциальной энер-
гией? Дайте определения этих терминов.
Как различные формы энергии превра-
щаются друг в друга? В чем измеряется
энергия? Что происходит с общим коли-
чеством энергии и с ее полезным количест-
вом при переходе из одной формы в дру-
гую? Объясните эти наблюдения и свяжите
их с началами термодинамики. Что нужно
для повышения потенциальной энергии
системы?
3. Как связаны превращения органики в неор-
ганику и наоборот с переходами энергии из
одной формы в другую?
4. Какие изменения происходят с веществом
и энергией в ходе фотосинтеза и роста
зеленых растений?
5. Каким образом из пищи извлекается энер-
гия? Как называется этот процесс? Каковы
образующиеся при нем побочные вещества?
6. Охарактеризуйте строительную роль пищи.
Какие вещества придают ей питательную
ценность? Что такое неполноценное пита-
ние, голод?
7. Что такое волокна, целлюлоза, экскремен-
ты, неусвояемое вещество? Как соотносятся
эти понятия друг с другом?
8. Что происходит с материей и энергией при
питании редуцентов детритом?
9. Сформулируйте первый основной принцип
2. ЭКОСИСТЕМЫ: КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ?
57
1. Круговорот углерода . ... 73
2. Круговорот фосфора .... 73
3. Круговорот азота............75
Б. Поток энергии....................78
В. Поток энергии и снижение биомассы
на высших трофических уровнях . . 79
III. СВЯЗЬ С ЖИЗНЬЮ ЧЕЛОВЕКА . . 80
Пример. Биосфера-II...............83
функционирования экосистем. Как он свя-
зан с законом сохранения массы!
10. Проследите возможные пути движения
атомов углерода при круговороте этого
элемента.
11. Опишите их для атомов фосфора.
12. Сделайте то же самое для атомов азота.
Что должно произойти до того, как содер-
жащийся в атмосфере азот сможет быть
использован растениями? Сравните при-
родные и искусственные способы азотфик-
сации.
13. Сравните газовую и минеральную фазы в
круговоротах углерода, фосфора и азота.
Как их разница сказывается на рециклиза-
ции минеральных биогенов, например фос-
фата?
14. Сформулируйте второй основной принцип
функционирования экосистем. Каковы глав-
ные свойства солнечной энергии!
15. Укажите три причины снижения биомассы
при переходе к более высокому трофичес-
кому уровню. Сформулируйте третий
основной принцип функционирования экосис-
тем.
16. Как основные тенденции развития нашей
цивилизации противоречат перечисленным
экологическим принципам? Каковы явные
и возможные последствия этих противоре-
чий? Что следует учитывать в первую оче-
редь при выработке стратегии развития
общества?
В гл. 1 мы выяснили, что экосистемы -
это группировки растений, животных и
микробов, взаимодействующих друг с
другом и с окружающей средой. Ниже мы
остановимся на основных принципах, поз-
воляющих природным экосистемам неоп-
ределенно долго поддерживать свое ста-
бильное состояние, не страдая от истоще-
ния ресурсов и загрязнения собственными
отходами. Кроме того, мы увидим, сколь-
ко экологических проблем возникает в ре-
зультате попыток управлять человеческой
экосистемой без учета этих принципов.
Элементы, жизнь,
организация и энергия
Чтобы понять, как саморегулируются
экосистемы, нужно знание некоторых ос-
новополагающих химических принципов,
касающихся атомов, элементов, энергии
и их взаимодействий, ведущих к образова-
нию сложных соединений к их разложе-
нию. В Приложении В Вы прочтете о том,
как атомы различных элементов соеди-
няются в молекулы газов; жидкостей
и твердых веществ. Возможно, имеет
смысл начать именно с этого приложения,
дающего необходимую основу для пони-
мания изложенного ниже материала.
Организация элементов
в живых и неживых системах
Множество биологов и химиков прош-
лого исследовали живые существа, ста-
раясь отыскать некую особую субстан-
цию, «жизненную силу», обусловливаю-
щую функционирование организмов. Од-
нако ни самой субстанции, ни каких-либо
58
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Таблица 2-1. Элементы, содержащиеся в живых организмах, и их присутствие в окружающей
среде
Элемент
Химичес- Биологически важные молекулы
кий сим- или ионы, включающие данный
вол элемент °
Присутствие в окружающей среде
Название Формула
Воздух
Водный Горные
раствор породы и
почвенные
минералы
Углерод С Двуокись углерода (углекислый газ) со2 * *
Водород Кислород (необ- Н Вода Н2О *
ходимый для дыхания) О Газообразный кислород о2 * *
Кислород (выде-
ляемый при фото- синтезе) О2 Вода н,о
Азот N Газообразный азот n; * ♦
Аммоний-ион nh4+ * *
Нитрат-ион NO; * *
Сера S Сульфат-ион so2- * *
Фосфор р Фосфат-ион PO’- * *
Калий к Ион калия K + * *
Кальций Са Ион кальция Ca2 + * *
Магний Mg Ион магния Mg2 + * *
Микроэлементы 2) Железо Fe Ионы железа Fe2 + , Fe3 + * *
Марганец Мп Ион марганца Mn2 + * *
Бор В Ион бора B2 + * *
Цинк Zn Ион цинка Zn2+ * *
Медь Си Ион меди Cu2 + * *
Молибден Мо Ион молибдена Mo2 + * *
Хлор С1 Хлорид-ион СГ * *
ПРИМЕЧАНИЕ. Перечисленные элементы входят в состав всех живых организмов-растений, животных,
микробов. Некоторым видам нужны и другие элементы. Человеку, например, требуются еще натрий и иод.
п Молекула-это химическое соединение двух или большего числа атомов. Ион - положительно или
отрицательно заряженная частица из одного или нескольких связанных между собой атомов.
2) Элементы, необходимые организмам в очень небольших (следовых) количествах.
указаний на то, что она существует, найти
не удалось. Ученые выяснили, что орга-
низмы состоят из тех же химических эле-
ментов, что и воздух, вода, минералы
горных пород и почв. Более того, из 96
существующих в природе элементов в ор-
ганизмах обнаружено только около 20.
Какие это элементы и как они распре-
делены в окружающей среде, показано в
табл. 2-1. Наиболее важны среди них угле-
род (химический символ-С), водород (Н),
кислород (О), азот (N), фосфор (Р) и сера
(S). Их легко запомнить с помощью акро-
нима N.CHOPS.
Тем не менее одна химическая особен-
ность все же отличает живое от неживого.
Это - сложность молекул. Молекула со-
стоит из химически соединенных между
собой атомов и представляет собой наи-
меньшую единицу любого вещества, об-
ладающую всеми его свойствами. Воздух,
вода и минералы состоят из относительно
2. ЭКОСИСТЕМЫ: КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ?
59
ЧИСТЫЙ СУХОЙ ВОЗДУХ -ЭТО СМЕСЬ МОЛЕКУЛ ТРЕХ ГАЗОВ
Процент15
78,08 Азот
20,95 Кислород
Рис. 2-1. Чистый сухой воздух-это смесь трех
основных газов, показанных на рисунке.
Обычно в нем содержится еще некоторое
количество водяного пара и пыли. Кроме того,
он бывает загрязнен многими другими
соединениями. Воздух-это газ, поскольку
составляющие его молекулы не соединяются
между собой ни химически, ни какими-либо
другими связями. Если такие связи сущест-
вуют, вещество находится в жидком или
твердом состоянии
простых молекул. Чистый сухой воздух -
это простая смесь молекул главным обра-
зом трех газов - кислорода (О2), азота
(N2) и двуокиси углерода, или углекис-
лого газа (СО2) (рис. 2-1). В нем при-
сутствуют и некоторые другие газы, как
правило, не играющие существенной био-
логической роли. Молекулы воды (Н2О)
состоят из атома кислорода, к которо-
му присоединены два атома водорода
(рис. 2-2). Горные породы и почвенные
минералы состоят из прочных кристалли-
ческих решеток, в которых атомы двух
или большего числа элементов соединены
друг с другом притяжением своих отри-
цательных и положительных зарядов
(рис. 2-3).
Воздух, вода и минералы непрерывно
Двуокись
0 03 углерода ,
(углекислым
газ)
Химическая
формула
^Остальные 0,94% приходятся на инертные
газы, не имеющие Биологического
значения
взаимодействуют друг с другом: моле-
кулы воздуха растворяются в воде, ее
молекулы поступают в виде пара в воз-
дух, минералы растворяются в воде и ре-
кристаллизуются из водного раствора
(рис. 2-4). Однако сами молекулы при
этом не меняются и остаются относи-
тельно простыми.
Химическая структура живого, напро-
тив, основана на сложных молекулах -
белках, углеводах, жирах, липидах и нук-
леиновых кислотах (например, ДНК,
представляющей собой генетический ма-
териал организма). Эти и другие молеку-
лы в составе тканей живых существ обра-
зованы в основном атомами углерода (и
связанными с ними атомами водорода),
соединенными друг с другом в цепочки.
В их построении может принимать учас-
тие и ряд других элементов, а именно
кислород, азот, фосфор, сера, но «общим
знаменателем» для всех этих молекул слу-
жат углерод-углеродные и углерод-водо-
родные связи. Сложность таких соедине-
ний порой потрясающая (некоторые со-
стоят из нескольких миллионов атомов),
а их потенциальное разнообразие беско-
нечно. Этим, в сущности, и определяется
разнообразие живых организмов.
Молекулы, в основе которых лежат
60
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
н2°
Рис. 2-2. А. Вода состоит из молекул, каждая
из которых образована двумя атомами водо-
рода, соединенными с одним атомом кисло-
рода (Н2О). Б. В водяном паре молекулы не
связаны друг с другом. В. В жидкой воде между
ними существует слабое притяжение (пунктир-
ные линии)
углеродные цепочки, называются органи-
ческими. Они и формируют ткани живых
организмов (отметим, что слова «органи-
ческий» и «организм»- однокоренные).
Поскольку «общий знаменатель» здесь-
углерод-углеродные и/или углерод-водо-
родные связи, термином органическая мо-
лекула (органическое соединение) обозна-
чают любые молекулы с такими связями,
а те, у которых таких связей нет, назы-
вают неорганическими. Некоторую пута-
ницу может вызвать тот факт, что все
пластмассы и множество других искусст-
венных веществ также содержат углерод-
углеродные связи и с химической точки
зрения относятся к органическим вещест-
вам, хотя не имеют ничего общего с жи-
выми системами. Там, где это необходи-
мо, мы попытаемся выйти из положения,
различая природные органические соедине-
ния (применительно к живым организ-
мам) и синтетические органические соеди-
нения (искусственные вещества). Как бы
там ни было, в воздухе, воде и минералах
не наблюдается значительных концентра-
ций органики, если только она не занесена
туда в результате жизнедеятельности ор-
ганизмов как при загрязнении среды чело-
веком, так и при некоторых природных
процессах.
Наконец, при сравнении живого и не-
живого очевидно, что, хотя слагающие их
элементы (N, С, Н, О, Р, S) одинаковы,
характер организации атомов в молеку-
лах существенно различается. В воздухе,
воде и минералах они образуют относи-
тельно простые неорганические соедине-
ния, в живых организмах-сложные орга-
нические. Из последних в свою очередь
состоят клетки, а из клеток-ткани и орга-
ны тела (рис. 2-5).
Фундаментальные биологические про-
цессы роста и размножения продуцентов
представляют собой на химическом уров-
не поглощение из окружающей среды уг-
лерода, водорода, кислорода и других
элементов в виде простых неорганических
соединений и построение из этих атомов
сложных систем органических молекул,
т. е. тканей тела. Консументы осуществ-
ляют аналогичные химические преобразо-
вания, но начиная с более сложных ве-
ществ, получаемых с пищей.
Разложение и горение-это процессы,
обратные росту, ведущие к разрушению
сложных органических молекул и постро-
ению из их атомов простых неорганичес-
ких. Например, при сжигании сахара ато-
Рис. 2-3. Минералы. А. Минеральные частицы
почвы при увеличении в 100 раз. Минералы
горных пород или неорганического вещества
почвы состоят из плотно соединенных друг
с другом атомов двух или нескольких элемен-
тов. Атомы (или небольшие их группы) несут
положительный или отрицательный заряд
и связаны друг с другом силой притяжения
между ними. Б. Атомы или их группы,
обладающие электрическим зарядом, называ-
ются ионами. Разные минералы образованы
специфическими сочетаниями элементов, часть
которых представляет собой положительные
( + ), а часть- отрицательные ( —) ионы (фото
автора)
Рис. 2-4. Взаимоотношения между воздухом,
водой и минералами. Минералы и газы
растворяются в воде (образуются их раство-
ры). Вода испаряется в воздух, обусловливая
его влажность. Все эти процессы обратимы. По
мере испарения воды растворенные в воде
минералы кристаллизуются. Содержащийся
в воздухе водяной пар конденсируется с
образованием жидкой воды
СИСТЕМЫ ОРГАНОВ
ОРГАНЫ
УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ
МАТЕРИИ
ОРГАНИЗМ
Микроворсинки
ПРОСТЫЕ МОЛЕКУЛЫ
Азот
Кислород
Поваренная соль
(хлорид натрия)
Белок
Липиды
Углеводы
Нуклеиновые
кислоты (ДНК,РНК)
Нервная
система
Кровеносная система
Кувические
летки
Эндоплазматическим
ретикулум
Легочные
Тонкий Ж артерии
' кишечник ^4
Толстый
^ишечник
цилиндри
Пищеваритель-
ная система
ТКАНИ
Гладкие
кМЫШЦЫ
Сердце
КЛЕТКИ
КЛЕТОЧНЫЕ
ОРГАНЕЛЛЫ
Митохондрии
СЛОЖНЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ
МОЛЕКУЛЫ
АТОМЫ
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ
ЧАСТИЦЫ
Мышечные
клетки
Плазматическая
мемврана
Углекислый
газ
Рис. 2-5. Жизнь можно представить как
организационную иерархию вещества. К не-
органике относятся очень простые соединения
элементов (молекулы воды, воздуха, минера-
лов). В живых существах элементы образуют
очень сложные органические молекулы, из
которых в свою очередь состоят клетки, а из
тех-целый организм
Вода
Электроны
• Протоны
о Нейтроны
2. ЭКОСИСТЕМЫ: КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ?
63
Рис. 2-6. Сгорание, или окисление, глюкозы.
В случае сложных органических молекул эти
процессы представляют собой их расщепление
и перегруппировку их атомов в простые
молекулы. Обычно реакция требует присут-
ствия кислорода, а конечные ее продукты
двуокись углерода и вода. Обратите внимание,
что атомы при этом не образуются и не
ичезают, а только перегруппировываются.
Чрезвычайно важная особенность реакции-
высвобождение потенциальной энергии,
заключенной в молекуле глюкозы. Все гетеро-
трофы (консументы), включая человека,
получают энергию для своей жизнедеятель-
ности путем окисления органических молекул
(в том числе и глюкозы) в ходе так называе-
мого клеточного дыхания
мы углерода, водорода и кислорода, из
которых он состоит, образуют двуокись
углерода и воду (рис. 2-6). Поскольку для
этого требуется дополнительный кисло-
род, говорят о процессе окисления.
Вы заметили, что при описании роста,
разложения и горения мы говорим лишь
о перегруппировке атомов, а не об их
изменении? Это свойственно всем хими-
ческим реакциям. Универсальный харак-
тер такого наблюдения позволяет гово-
рить об одном из законов природы, а
именно законе сохранения массы. Сейчас
он формулируется следующим образом:
атомы в химических реакциях никогда не
исчезают, не образуются и не превра-
щаются друг в друга; они только перегруп-
пировываются с образованием различных
молекул и соединений. (Атомы могут изме-
няться при высокоэнергетических ядерных
реакциях, что и лежит в основе ядерной
энергетики, обсуждаемой в гл. 20. Однако
при биологических и химических процес-
сах такие реакции исключены, поэтому
с учетом вышеназванной оговорки закон
сохранения массы можно считать универ-
сальным.)
Энергия
Однако химические реакции-это не
просто перегруппировка атомов: одновре-
менно происходит поглощение или выде-
ление энергии. Чтобы разобраться в дан-
ном вопросе, следует сначала выяснить
разницу между веществом и энергией.
Вещество и энергия
Вещество занимает пространство и
имеет массу, т. е. может быть взвешено
в условиях тяготения. Различают твердые
вещества, жидкости и газы. Мельчайшие
единицы вещества-элементарные части-
цы (протоны, нейтроны, электроны и др.),
из которых состоят атомы. Наиболее
обычные формы энергии-это свет и дру-
гие виды излучения, тепло, движение и
электричество. Они не занимают опреде-
64
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
ленного пространства и не обладают мас-
сой. Если Вы хотите оспорить это утверж-
дение, поместите в некую емкость немно-
го света, занесите его в темную комнату
и взвесьте специально для меня. В то же
время и свет, и тепло, и другие формы
энергии вполне реальны. Они действуют,
т. е. влияют на вещество, вызывая измене-
ния в его размещении или состоянии. При
взрыве высвобождаемая энергия разбра-
сывает предметы во все стороны, т. е.
изменяет их размещение. Нагревание во-
ды ведет к ее кипению и превращению
в пар, т. е. происходит изменение состоя-
ния. В результате нагревания возрастает
скорость движения молекул. Таким обра-
зом, определение энергии включает в себя
Рис. 2-7. Энергия. Она отличается от вещества
тем, что не имеет массы и не занимает
пространства, но в то же время способна
воздействовать на вещество, изменяя его
пространственное размещение или состояние.
Кинетическая энергия-это активная форма
энергии. Потенциальной энергией обладают
системы или материалы, способные высвобож-
дать кинетическую энергию
некое действие, или, как говорят физики,
работу. Энергия-это способность совер-
шать работу.
Обычно различают две категории
энергии: кинетическую и потенциальную
(рис. 2-7). Кинетическая обусловлена не-
посредственным действием или движе-
нием. Световая, тепловая, электрическая
энергия, энергия механического движе-
ния-все это различные ее формы. С дру-
гой стороны, потенциальная энергия как
бы запасается системой. Если есть такая
энергия, значит, есть и возможность, т. е.
потенциал, реализовать ее в одной или
нескольких формах кинетической энергии.
Так, потенциальной энергией обладает на-
тянутая резина: она позволяет выстрелить
камешком из рогатки. При сжигании раз-
ных химических веществ (например, бен-
зина и другого топлива) кинетическая
энергия высвобождается в виде тепла, све-
та и движения. Потенциальная энергия,
запасенная в топливе, называется хими-
ческой.
Путей перехода энергии из одной фор-
мы в другую бесчисленное множество.
Взгляните на рис. 2-8 и приведите собст-
КИНЕТИЧЕСКАЯ
ФОРМЫ ЭНЕРГИИ
ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ
2. ЭКОСИСТЕМЫ: КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ?
65
Черная поверхность
Рис. 2-8. Первое начало термодинамики.
Энергия не появляется и не исчезает, а лишь
переходит из одной формы в другую
венные примеры. Особенно важно то, что
кинетическую энергию можно превра-
щать в потенциальную, например, заря-
жая батареи.
Поскольку энергия не обладает массой
и не занимает пространства, ее нельзя
измерить единицами веса или объема.
Для этого существуют специальные меры.
Одна из наиболее распространенных еди-
ниц-калория, т. е. количество тепла, не-
обходимое для нагревания 1 г воды на
ГС. Поскольку эта величина очень мала,
чаще используют килокалории (1 ккал =
= 1000 кал), т. е. количество тепла, необ-
ходимое для нагревания 1 л воды на 1°С.
Энергию пищи измеряют так называемы-
ми «большими» калориями (их часто пи-
шут с прописной буквы), которые пред-
ставляют собой именно килокалории.
Любую форму энергии можно измерить
в калориях, превратив ее в тепло и опреде-
лив его количество (на сколько градусов
нагреется данный объем воды).
Бесчисленные эксперименты по изме-
рению количества энергии при переходах
ее из одной формы в другую приводят
к одному и тому же результату - количест-
3-2199
66
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
во ее остается неизменным. Это наблюде-
ние считается еще одним законом приро-
ды, а именно первым началом термодина-
мики. Он формулируется следующим
образом: энергия не возникает и не исче-
зает, она лишь переходит из одной формы
в другую. (Ядерные реакции, включающие
превращение массы в энергию, здесь
опять же исключение, поскольку при
обычных физических, химических и био-
логических процессах не происходят.)
То обстоятельство, что энергия не ис-
чезает, а лишь переходит из одной формы
в другую, привело к попыткам создать
систему, функционирующую неограничен-
но долго без подвода энергии извне. Все
они оканчивались одним и тем же резуль-
татом-такая система не работала. При-
чина неудачи двойная: во-первых, при лю-
бых превращениях энергии какая-то часть
ее превращается в тепло; во-вторых, это
Рис. 2-9. Второе начало термодинамики.
Круговорот энергии не может происходить без
потерь, поскольку при каждом превращении
из одной формы в другую часть ее рассеивается
в виде тепла, вернуть которое невозможно, так
как оно течет только в одном направлении:
в более холодную окружающую среду.
Генератор, например, всегда вырабатывает
меньше энергии, чем потребляет, так как часть
ее теряется в виде тепла
тепло всегда уходит в более холодную
окружающую среду (рис. 2-9). Горячая
пища, например, всегда остывает, нагре-
вая комнату; обратного процесса никогда
не происходит. Таким образом, какими
бы путями ни переходила энергия из од-
ной формы в другую, часть ее (та, что
превращается в тепло) системой теряется.
Это еще один закон природы-второе на-
чало термодинамики: при любых превраще-
ниях энергии часть ее теряется в виде
тепла. Часто такие потери превышают
50%. Иными словами, эффективность,
или коэффициент полезного действия
(к. п. д.), большинства энергетических пре-
вращений меньше 50%. Во многих из них
к. п.д. составляет всего лишь 1-10%. Ос-
тальные 90-99% исходной энергии в про-
цессе ее превращения теряются в виде
тепла. Например, при сжигании угля на
ТЭС каждые 100 кал топлива дают лишь
30-40 кал электроэнергии.
Поэтому для функционирования лю-
бой системы требуется приток энергии
извне. Вечные двигатели, т. е. машины,
способные работать, не потребляя до-
полнительной энергии, существуют толь-
ко в воображении. Если машина или си-
стема лишена ее источника, она постепен-
но израсходует свой энергозапас и оста-
новится.
Законы термодинамики не препятству-
Почему такая система не работает?
2. ЭКОСИСТЕМЫ: КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ?
67
Элементы
питания
Минералы
Низкая
►потенциаль-«
ная энергия
Элементы
питания
Минералы
Бода МНН
Б
ют запасанию потенциальной энергии в
отдельных компонентах системы. Напри-
мер, при зарядке батарей происходит пре-
вращение кинетической (электрической)
энергии в потенциальную химическую.
Важно только помнить, что количество
использованной для этого кинетической
энергии всегда больше количества запа-
Рис. 2-10. А. Потребляя энергию насоса, вода
накапливает потенциальную энергию, которую
теперь можно использовать для приведения
в действие мельничного колеса и выполнения
работы. Б. Аналогичным образом у биогенов,
воды, минералов потенциальная энергия низка.
Растения, потребляя в процессе фотосинтеза
солнечную энергию, включают элементы
этих веществ в органические молекулы своего
тела, обладающие высокой потенциальной
энергией. Когда растение съедают, сжигают
или оно просто гниет, эта запасенная энергия
высвобождается, и вновь образуются вещест-
ва с низкой потенциальной энергией - биогены,
минералы и вода
сенной потенциальной, поскольку часть ее
будет потеряна. От батареи удается полу-
чить не более 90% энергии, пошедшей на
ее зарядку.
Энергия и органическое вещество
Теперь давайте попробуем связать
все сказанное выше о материи и энергии
с органическими молекулами, организма-
ми и экосистемами. Все органические мо-
лекулы, образующие ткани живого (цел-
люлоза, жиры, сахара, крахмал и т. д.),
содержат не только атомы углерода, во-
дорода и других элементов. Кроме того,
в них запасена потенциальная энергия.
Доказательством может служить тот
простой факт, что все названные вещества
горят. Тепло и свет пламени означают
высвобождение их потенциальной энергии
в виде кинетической.
И напротив, при синтезе органических
молекул из неорганического «сырья» про-
исходит запасание потенциальной энер-
гии, требующее поступления извне кине-
тической. В свою очередь, каким бы обра-
зом эти молекулы ни расщеплялись, на-
копленная в них потенциальная энергия
высвободится в виде кинетической, кото-
рая в свою очередь может использоваться
в различных целях (рис. 2-10). Однако
из-за неминуемых потерь тепла в ходе
таких превращений количество доступной
полезной энергии будет постоянно сни-
жаться. Давайте применим эти принципы
к разным категориям организмов в эко-
системе.
з*
68
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Изменения вещества
и энергии в организмах
Продуценты
Как уже отмечалось в гл. 1, в каждой
крупной экосистеме есть продуценты - фо-
тосинтезирующие растения. В процессе
фотосинтеза они извлекают атомы угле-
рода и кислорода из молекул поглощае-
мого из воздуха или воды (в случае вод-
ных растений) углекислого газа и атомы
водорода из молекул воды. Углерод, кис-
лород и водород используются для по-
Рис. 2-11. Продуценты - это замечательные
химические фабрики. Используя энергию света,
они из углекислого газа и воды синтезируют
глюкозу, выделяя в качестве побочного про-
дукта кислород. Окисляя часть глюкозы для
получения дополнительной химической энер-
гии, из остальной глюкозы и извлекаемых из
почвы биогенов они образуют другие сложные
органические молекулы, за счет которых
и растут
строения молекул простого сахара-глю-
козы. Как видно на рис. 2-11, молекула
глюкозы состоит из 6 атомов углерода, 12
атомов водорода и 6 атомов кислорода;
следовательно, химическая формула это-
го вещества-С6Н12О6. Очевидно, для
синтеза одной его молекулы требуется
6 молекул углекислого газа (6СО2) и
6 молекул воды (6Н2О). Однако в сумме
они содержат 18 атомов кислорода, в то
время как их нужно только 6. Излишек
выделяется растением в атмосферу в виде
газообразного кислорода (О2): по 6 моле-
кул на каждую молекулу синтезируемой
глюкозы. Обратите внимание, что мы
учитываем каждый атом. Какой из зако-
нов природы требует столь строгого под-
счета? (См. с. 63.)
Теперь об энергии. Глюкоза-это орга-
ническая молекула с высокой потенциаль-
ной энергией, в то время как потенциаль-
ную энергию двуокиси углерода и воды
можно считать нулевой. Как получить
энергию из ничего? Не противоречит ли
это закону природы? Понятно теперь, для
6Н2О
2. ЭКОСИСТЕМЫ: КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ?
69
чего нужен свет при фотосинтезе? Свет-
это кинетическая энергия. Процесс фото-
синтеза включает ее поглощение, превра-
щение и запасание в виде потенциальной
энергии молекул глюкозы. Уже говори-
лось, что световая энергия улавливается
растениями с помощью зеленого пигмен-
та хлорофилла.
Жизнедеятельность продуцентов не
противоречит второму началу термодина-
мики. Так, из каждых 100 кал энергии
света, достигающей растений, лишь 1-
5 кал запасаются в органических молеку-
лах. Иными словами, к. п. д. превращения
световой энергии в химическую состав-
ляет у растений лишь 1-5%.
Синтезируемая при фотосинтезе глю-
коза выполняет в растении две основные
функции. Во-первых, она служит строи-
тельным материалом; ее углерод-водо-
родные фрагменты входят в состав всех
органических молекул, образующих ткани
корней, стеблей, листьев и т.д. Другие
необходимые для биосинтеза элементы
(азот, фосфор, серу, кальций) растение
извлекает из почвы или водного раствора;
если их там нет, оно просто не сможет
расти.
Во-вторых, глюкоза-это источник
энергии для всех процессов жизнедеятель-
ности растения. Чтобы построить дом,
надо затратить энергию в виде работы.
Вот и растению для роста (строительства
тканей) нужна энергия. Кроме того, оно
тратит энергию на поглощение питатель-
ных элементов (азота, фосфора и т.д.)
и выполнение других функций. Эти про-
цессы идут круглосуточно и именно за
счет потенциальной энергии молекул глю-
козы. Другими словами, только часть
ее фотосинтезированного количества ис-
пользуется растением в качестве строи-
тельного материала (для роста); осталь-
ное вновь разрушается с выделением
энергии, необходимой для протекания фи-
зиологических процессов. Расщепление
глюкозы происходит в ходе клеточного
дыхания (см. ниже). Наконец, большинст-
во растений запасает глюкозу, превращая
ее в крахмал (картофель и т.п.) или в
масла (например, в семенах).
Наиболее доступный и обильный в
окружающей среде источник энергии -
солнечный свет, поэтому вполне естест-
венно, что роль продуцентов во всех круп-
ных экосистемах играют использующие
его фотосинтезирующие растения. Однако
существуют и богатые потенциальной
энергией неорганические вещества. Наи-
более известный их пример-сероводород
(H2S). Некоторые бактерии способны рас-
щеплять такие вещества, используя вы-
свобождающуюся энергию для синтеза
органических молекул из двуокиси угле-
рода и воды,-примерно так же, как и при
фотосинтезе. Этот процесс называют хе-
мосинтезом, подчеркивая, что источником
энергии здесь служит не свет (по-гречес-
ки-photo), а химические вещества. В глу-
боких океанических впадинах, куда не
проникает свет, но где в изобилии присут-
ствует сероводород, обнаружены уникаль-
ные экосистемы, в которых роль проду-
центов играют хемосинтезирующие бак-
терии.
Консументы
Энергетическая роль пищи. Консумен-
там как животным свойственна активная
выработка кинетической энергии. Мы са-
ми-хороший пример этого: бегаем по
своим делам, занимаемся спортом, под-
держиваем постоянную температуру тела
и т.д. Даже во время зимней спячки жи-
вотные буквально «начинены» кинетичес-
кой энергией: их сердце бьется, они дышат
и осуществляют другие функции. Источ-
ник этой энергии - потенциальная энергия
органических молекул, потребляемых в
составе пищи. Значительная часть съедае-
мого нами (или другими консументами)
разрушается с высвобождением энергии,
обеспечивающей все функции организма
и теряющейся в конце концов в виде
выделяемого телом тепла.
Процесс расщепления органических
молекул с выделением энергии называется
клеточным дыханием. В целом он проти-
воположен фотосинтезу', в присутствии
кислорода происходит разрушение глю-
козы, и из ее атомов (углерода, кислорода
и водорода) образуются углекислый газ
70
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
и вода по уравнению
^6^12^6 + 6О2 “*
Глюкоза Кислород
-> 6СО2 + 6Н2О + Энергия.
Двуокись Вода
углерода
Речь идет именно о клеточном дыха-
нии, поскольку оно происходит в каждой
отдельной клетке организма. Съеденная
пища переваривается, т. е. расщепляется
в желудке и кишечнике на отдельные мо-
лекулы. Так, глюкоза-это продукт пере-
варивания крахмала, а также других угле-
водов и сахаров. Мелкие органические
молекулы, образующиеся в процессе пи-
щеварения, всасываются в кровь и перено-
сятся ею ко всем клеткам организма. Кро-
ме того, она поставляет им кислород,
которым насыщается в легких или жаб-
рах. Энергия, высвобождаемая при кле-
точном дыхании, позволяет каждой клет-
ке мышц, нервов, печени, почек и т. д.
осуществлять свои специфические функ-
ции. Образующийся при этом углекислый
газ с помощью все той же кровеносной
системы поступает в легкие (или жабры),
где и удаляется из организма.
Понятно теперь, почему при физичес-
ких нагрузках мы жадно втягиваем воздух
и «нагуливаем» аппетит? Тяжелая работа
требует интенсивного клеточного дыха-
ния; результат этого - активный газооб-
мен и потребность в пище.
Суммарное химическое уравнение кле-
точного дыхания, как можно заметить,-
такое же, что и при простом горении
глюкозы (см. с. 63). Поэтому часто гово-
рят о «сжигании» пищи в организме для
получения энергии. Однако клеточное ды-
хание отличается от простого горения
тем, что высвобождение энергии происхо-
дит здесь мелкими порциями, сопостави-
мыми с энергетическими потребностями
каждой клетки, а весь процесс состоит
примерно из 20 этапов. Высвобождение
всей энергии молекул глюкозы в клетке за
один прием, как при горении,-все равно,
что отопление и освещение комнаты с по-
мощью фейерверка. Энергия выделяется,
но не самым удобным образом.
Белки, жиры и растительные масла
также расщепляются организмом с высво-
бождением заключенной в них потенци-
альной энергии. Молекулы этих веществ
также химически разрушаются при пи-
щеварении, их остатки изменяются в клет-
ках и включаются в тот же процесс кле-
точного дыхания. Животные и раститель-
ные жиры особенно богаты потенциаль-
ной энергией; из всех органических моле-
кул у них больше всего калорий на едини-
цу веса. При этом, как и в случае с глюко-
зой, продуктами «сгорания» углерод-во-
дородной части молекулы оказываются
углекислый газ и вода. Азот, фосфор
и другие элементы из состава белков,
нуклеиновых кислот и липидов удаляются
организмом с мочой или ее аналогами;
эти отходы, минералы по своей природе,
не газообразны и не выдыхаются через
легкие, поэтому выделяются в водном
растворе.
Строительная роль пищи. Часть съеден-
ной, переваренной и поступившей в кровь
пищи служит сырьем для роста и обновле-
ния тканей тела. Для этого необходимы
определенные аминокислоты (из них по-
строены белки), множество особых орга-
нических молекул-так называемых вита-
минов, а также различные минеральные
вещества, включая такие элементы, как
кальций, железо, калий, фосфор и др.
Если в пище нет какого-либо из этих
ингредиентов, сколько бы калорий она ни
содержала, неизбежно появятся расстрой-
ства, вызванные неполноценным питанием.
Достаточные количества этих пита-
тельных веществ (биогенов) содержатся
в сбалансированном рационе, включаю-
щем крупы, мясо, овощи и молоко. Одна-
ко во многих прошедших длительную об-
работку пищевых продуктах биогенов
почти или совершенно не остается.
Здесь мы сталкиваемся с проблемой
«перебивания аппетита» жареными карто-
фельными хлопьями, лимонадом, спирт-
ными напитками, конфетами, выпечкой.
Многие из этих продуктов высококало-
рийны, поскольку богаты жирами или
сахаром, но в них практически нет ве-
ществ, необходимых организму для роста
и восстановления тканей. Соответственно,
если в пище много таких продуктов, энер-
2. ЭКОСИСТЕМЫ: КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ?
71
гетические потребности будут вполне
удовлетворены, но питание останется яв-
но неполноценным. Результатом бывает
ощущение «упадка сил», даже если полу-
чено вполне достаточно калорий. Точно
так же не «тянет» плохо отлаженный дви-
гатель, хотя горючее в избытке.
При несбалансированном рационе не
исключено избыточное поступление кало-
рий. Потребность в них определяется тем,
насколько активный образ жизни Вы веде-
те. Если же в пище больше калорий, чем
нужно организму, их излишек накаплива-
ется в жировых отложениях, что в конеч-
ном счете обернется избыточным весом.
Таким образом, неумеренное потребление
некоторых продуктов чревато одновре-
менно ожирением и неполноценным пи-
танием. С другой стороны, если калорий-
ность пищи ниже потребностей организ-
ма, он голодает и начинает получать энер-
гию за счет расщепления собственных
тканей, причем не только жира, но и
белков.
Сбалансированный рацион обеспечи-
вает потребление калорий и биогенов
именно в том количестве, в каком они
нужны. Важно питаться так постоянно,
поскольку организм не в состоянии запа-
сать большинство необходимых веществ.
Не следует есть редко и помногу, так как
в этом случае значительная часть пищи
попросту не используется и теряется вмес-
те с экскрементами, а ее биогены разру-
шаются ради получения энергии. При сба-
лансированном питании от 80 до 90%
того, что переваривается и всасывается
в кровь, расходуется в энергетических це-
лях. Однако, несмотря на то, что доля
биогенов (аминокислот, витаминов, мине-
ральных веществ) значительно меньше
10-20%, она жизненно необходима орга-
низму.
Неусвояемое вещество. Наконец, часть
пищи не переваривается, а просто прохо-
дит через пищеварительный тракт и вы-
водится из него в виде фекалий, или экс-
крементов. У консументов-фитофагов они
состоят в основном из вещества, обра-
зующего стенки растительных клеток -
целлюлозы. В диетологии ее называют
грубыми волокнами. Некоторое их коли-
чество необходимо для «прочистки» ки-
шечника, однако большинство консумен-
тов не может извлечь из целлюлозы ни
биогенов, ни энергии, поскольку не в со-
Органическое
вещество
с высокой
потенциальной
энергией
Рис. 2-12. Только небольшая часть пищи,
съедаемой консументом, ассимилируется,
обеспечивая рост и возобновление его тканей.
Остальное окисляется в процессе клеточного
дыхания, давая энергию для ассимиляции,
движения и других жизненных функций. От-
ходы этого окисления-двуокись углерода,
вода и различные минеральные биогены. Часть
пищи вообще не переваривается и просто
проходит через пищеварительную систему,
выделяясь наружу в виде экскрементов
72
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
стоянии переварить ее (исключение со-
ставляют коровы и некоторые другие рас-
тительноядные животные). Вот почему
люди не могут использовать в пищу дре-
весину и другой грубый растительный
материал, почти целиком состоящий из
клеточных стенок, т. е. целлюлозы.
Рассмотренные выше аспекты исполь-
зования пищи обобщены на рис. 2-12. Пе-
рейдем теперь к детритофагам и реду-
центам.
Детритофаги и редуценты
Принципиальных различий в питании
детритофагов и редуцентов, с одной сто-
роны, и консументов-с другой, нет. Если
Вы помните, детрит-это мертвые расти-
тельные и животные остатки: опавшие
листья, валежник, трупы животных, экс-
кременты и т.д. Все это-органика! Зна-
чит, детрит богат биогенами и энергией
и представляет собой прекрасный источ-
ник пищи для организмов, способных его
переваривать. Основная часть детрита-
мертвый растительный материал, состоя-
щий главным образом из целлюлозы,
и поэтому, как отмечалось выше, недос-
тупный для большинства консументов.
Различные виды грибов, бактерий и дру-
гих микроорганизмов-редуцентов обла-
дают уникальной способностью расщеп-
лять целлюлозу до составляющих ее мо-
лекул глюкозы. У многих крупных траво-
ядных млекопитающих (например, у
жвачных) такие бактерии живут в пищева-
рительном тракте, позволяя им усваивать
грубую растительную пищу. Это один из
примеров мутуалистических взаимоотно-
шений, выгодных как скоту, так и бак-
териям.
Когда детрит переварен, детритофаги
и редуценты используют его в качестве
источника биогенов и энергии. Как описа-
но выше, основная его часть расщепляет-
ся в процессе клеточного дыхания и дает
энергию для осуществления всех жизнен-
ных функций, а остальное используется
для построения тканей организма. Побоч-
ные продукты клеточного дыхания все те
же-двуокись углерода, вода и неоргани-
ческие соединения азота, фосфора и т.д.
При превращениях энергии неизбежны по-
тери тепла, порой-значительные (в про-
хладные дни нередко можно наблюдать,
как от кучи гниющего навоза идет пар).
Некоторым бактериям и дрожжам
(они относятся к грибам) свойственна спе-
цифическая форма клеточного дыхания.
В отсутствие кислорода они могут полу-
чать достаточное для жизнедеятельности
количество энергии путем частичного рас-
щепления органических молекул (кисло-
род необходим для полного расщепления,
т. е. до двуокиси углерода и воды). При
этом в качестве конечных продуктов обра-
зуются такие вещества, как этиловый
спирт (С2Н6О), газ метан (СН4), уксусная
кислота и др. Люди используют такие
природные процессы (их называют бро-
жением) для получения экономически
важных соединений.
Принципы функционирования
экосистем
Круговорот биогенов
Вы заметили, как четко взаимо-
действуют друг с другом продуценты,
консументы, детритофаги и редуценты,
поглощая и выделяя различные вещества?
Органика и кислород, образуемые фото-
синтезирующими растениями,-это как
раз то, что нужно консументам для пита-
ния и дыхания. А выделяемые консумен-
тами углекислый газ и минеральные ве-
щества мочи-как раз те биогены, кото-
рые необходимы растениям-продуцентам.
И в самом деле, достаточно разведенная
моча представляет собой прекрасное
удобрение (рис. 2-13). Здесь мы видим
первый основной принцип функционирова-
ния экосистем: получение ресурсов и избав-
ление от отходов происходят в рамках
круговорота всех элементов.
Вы обратили внимание, насколько
этот принцип гармонирует с законом со-
хранения массы? Поскольку атомы не ис-
чезают, не возникают и не превращаются
один в другой, они могут использоваться
бесконечно в самых различных соедине-
ниях, и запас их никогда не истощится.
Именно это и происходит в естественных
2. ЭКОСИСТЕМЫ: КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ?
73
Рис. 2-13. Отходы животного происхождения
представляют собой удобрения. В процессе
окисления животными пищи (для получения
энергии) выделяются неорганические биогены,
необходимые растениям. На фотографии
показан фрагмент газона после того, как здесь
помочилась собака. Более темная окраска
травы соответствует участку, где концентрация
мочи (степень ее разбавления) оптимальна для
растений; в центре этого пятна грава погибла
из-за слишком высокой ее концентрации (фото
автора)
экосистемах. Рассмотрим такой кругово-
рот более детально на примере трех важ-
нейших элементов-углерода, фосфора
и азота.
Круговорот углерода
Для удобства изложения имеет смысл
начать описание круговорота углерода
(рис. 2-14) с молекул углекислого газа
(двуокиси углерода), содержащихся в воз-
духе и воде. В ходе фотосинтеза атомы
углерода этого соединения включаются
в состав глюкозы и других органических
веществ, из которых построены все расти-
тельные ткани. В дальнейшем они перено-
сятся по пищевым цепям и образуют тка-
ни всех остальных живых существ экоси-
стемы. Однако шансы отдельно взятого
атома углерода «побывать» в течение од-
ного цикла в составе многих организмов
крайне малы, так как при каждом перехо-
де с одного трофического уровня на дру-
гой велика вероятность, что содержащая
его органическая молекула будет расщеп-
лена в процессе клеточного дыхания для
получения энергии. При этом атомы угле-
рода вновь поступают в окружающую
среду в составе углекислого газа, завер-
шив один цикл и приготовившись начать
следующий. Аналогичным образом ато-
мы углерода возвращаются в атмосферу
в результате сжигания органики.
Еще одна важная и интересная особен-
ность круговорота углерода состоит в
том, что в далекие геологические эпохи
(сотни миллионов лет назад) значитель-
ная часть фотосинтезируемого органичес-
кого вещества не использовалась ни кон-
сументами, ни редуцентами, а накаплива-
лась и постепенно погребалась под раз-
личными минеральными осадками. Нахо-
дясь в земле миллионы лет, этот детрит
под действием высоких температуры и
давления превращался в нефть, природ-
ный газ и уголь; во что именно - зависело
от исходного материала, продолжитель-
ности и условий пребывания в земле. Те-
перь мы в огромных количествах добы-
ваем это ископаемое топливо для обеспе-
чения энергетических потребностей наше-
го индустриального общества, а сжигая
его, в определенном смысле завершаем
круговорот углерода. Но одновременно
резко возрастает концентрация углекисло-
го газа в воздухе: его поступление туда
существенно превышает поглощающие
возможности современных растений. Это
обстоятельство чревато серьезными кли-
матическими последствиями (см. раздел
о парниковом эффекте в гл. 13).
Круговорот фосфора
Круговорот фосфора схематически по-
казан на рис. 2-15. Этот элемент входит
в состав генов и молекул, переносящих
энергию внутри клеток. В различных ми-
нералах фосфор содержится в виде неор-
ганического фосфат-иона (РО^-). Фосфа-
ты растворимы в воде, но не летучи.
Растения поглощают РО^- из водного
раствора и включают в состав различных
органических соединений, где фосфор вы-
ступает в форме так называемого органи-
ческого фосфата. По пищевым цепям он
переходит от растений ко всем прочим
14
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Рис. 2-14. Круговорот углерода. Пояснения
в тексте
организмам экосистемы. Но опять же-
при каждом переходе велика вероятность
окисления содержащего фосфор соедине-
ния в процессе клеточного дыхания для
получения организмом энергии. Когда
это происходит, фосфат в составе мочи
или ее аналога вновь поступает в окру-
жающую среду, после чего снова может
поглощаться растениями и начинать но-
вый цикл.
Вы обратили внимание на важнейшее
различие круговоротов углерода и фосфо-
ра? В первом случае есть газообразная
фаза-углекислый газ в воздухе: где бы он
ни выделялся в атмосферу, он свободно
распространяется в ней воздушными по-
токами, пока снова не усвоится растения-
ми. В случае фосфора такой газовой фазы
2. ЭКОСИСТЕМЫ: КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ?
75
Рис. 2-15. Круговорот фосфора. Пояснения
в тексте
и, следовательно, «свободного возврата»
в экосистему нет. Попадая в водоемы,
фосфат насыщает, а иногда и перенасы-
щает их экосистемы. Обратного пути, по
сути дела, нет. Конечно, что-то может
снова вернуться на сушу с пометом рыбо-
ядных птиц, но это очень незначительная
часть общего количества, оказывающаяся
к тому же вблизи побережья. Иногда
океанические отложения фосфата со вре-
менем поднимаются над поверхностью
воды в результате геологических процес-
сов, но это требует миллионов лет.
Следовательно, фосфат и другие мине-
ральные биогены почвы циркулируют
в экосистеме лишь в том случае, если
содержащие их «отходы» жизнедеятель-
ности откладываются в местах поглоще-
ния данного элемента. В естественных
экосистемах так по большей части и про-
исходит. Однако мы создали нашу собст-
венную экосистему человека, в которой
урожай вместе с извлеченными из почвы
биогенами перевозится на большие рас-
стояния к потребителям. А человеческие
«отходы», содержащие эти питательные
вещества, сбрасываются в водоемы. Ниже
мы вернемся к обсуждению отдаленных
последствий такой практики.
Круговорот азота
Круговорот азота (рис. 2-16) несколь-
ко сложнее, поскольку включает как газо-
76
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Рис. 2-16. Круговорот азота. Пояснения в
тексте
вую, так и минеральную фазу. Основная
часть атомов азота находится в воздухе,
который на 78% состоит из одноименного
газа (N2). Однако растения не могут ус-
ваивать его непосредственно; для этого
азот должен входить в состав ионов ам-
мония (NH4) или нитрата (NO3). К
счастью, некоторые бактерии и ряд сине-
зеленых водорослей (цианобактерий) спо-
собны превращать газообразный N2 в ам-
монийную форму в ходе так называемой
азотфиксации. Важнейшую роль среди
азотфиксирующих организмов играют
бактерии из рода Rhizobium, живущие в
клубеньках на корнях бобовых растений
(рис. 2-17). Это еще один хороший пример
мутуализма. Растения обеспечивают бак-
терий местообитанием и пищей (сахара-
ми), получая от них взамен доступную
форму азота. По пищевым цепям органи-
ческий (т. е. входящий в состав органи-
ческих молекул) азот передается от бобо-
вых другим организмам экосистемы.
Когда в процессе клеточного дыхания
белки и другие содержащие азот органи-
ческие соединения расщепляются, азот
выделяется в среду главным образом
в аммонийной (NH4 ) форме. Некоторые
бактерии могут переводить ее в нитрат-
ную (NO7). Важно то, что обе эти формы
могут усваиваться любыми растениями.
В результате азот совершает круговорот
как минеральный биоген. Однако такая
минерализация обратима, поскольку дру-
гие почвенные бактерии постепенно пре-
вращают нитраты снова в газообразный
азот (N2). Правда, часть его окисляется
в воздухе-во время грозовых разрядов-
и поступает в почву с дождевой водой, но
таким способом его фиксируется в 10 раз
меньше, чем с помощью бактерий.
Значит, все естественные экосистемы
зависят от азотфиксирующих организмов,
поэтому крайне важна роль симбиотичес-
ких бактерий в клубеньках бобовых расте-
ний. Это семейство включает огромное
2. ЭКОСИСТЕМЫ: КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ?
77
Рис; 2-17. Корневые клубеньки. Азотфиксация,
т. е. превращение газообразного азота атмо-
сферы в доступные для растений формы,
осуществляется бактериями, живущими в этих
клубеньках на корнях растений из семейства
бобовых (Сельскохозяйственный департамент
США)
число представителей - от клевера (обыч-
ного на лугах и в степях) до тропических
деревьев и пустынных кустарников. В
каждой крупной наземной экосистеме-от
дождевых экваториальных лесов до тунд-
ры-есть характерные для нее виды бобо-
вых. Интересно отметить, что бобовые
обычно первыми заселяют гари. Без них
процесс реколонизации будет идти значи-
тельно медленнее из-за недостатка в поч-
ве доступного азота. В водных экосисте-
мах круговорот азота выглядит сходным
образом, но здесь в роли основных азот-
Тепло
Рис. 2-18. Лишь малая часть солнечного излу-
чения, достигающего Земли, улавливается
и используется в фотосинтезе, но именно она
служит источником энергии для всей эко-
системы
78
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
фиксаторов выступают сине-зеленые во-
доросли.
Люди научились создавать искусствен-
ные экосистемы, выращивая урожаи куку-
рузы, пшеницы и других зерновых куль-
тур без участия бобовых. При этом азот
воздуха фиксируется на специальных хи-
мических заводах. Искусственно получен-
ные аммоний и нитрат представляют со-
бой основные ингредиенты минеральных
удобрений. Однако их высокая цена вы-
нуждает многих фермеров реконструиро-
вать естественные условия, чередуя в сево-
обороте бобовые и остальные культуры.
Поток энергии
Поток энергии в экосистемах пол-
ностью соответствует началам термоди-
намики. В принципе здесь можно гово-
рить о системах превращения энергии из
одной формы в другую, а именно-энер-
гии солнечного света в химическую энер-
гию, запасаемую фотосинтезирующими
растениями, а ее - в другие формы по мере
прохождения пищевых цепей. На каждом
трофическом уровне часть потенциальной
химической энергии пищи, высвобожда-
ясь, позволяет организму осуществлять
свои жизненные функции, т. е. «работать»,
и параллельно теряется в виде тепла. Та-
ким образом, речь идет о потоке энергии
через экосистемы: ее поступлении в них
с солнечными лучами, выполнении рабо-
ты и удалении в форме тепла.
В самом деле, на Землю падает мощ-
ный поток солнечной энергии, поддержи-
вающей жизнь и возвращаемой в прост-
ранство тепловым излучением. Большая
часть солнечной энергии, достигающей
поверхности планеты, превращается непо-
средственно в тепло, нагревая воду или
почву, от которых в свою очередь нагре-
вается воздух. Это тепло служит движу-
щей силой круговорота воды, воздушных
потоков и океанических течений, опреде-
ляющих погоду, однако постепенно от-
дается в космическое пространство, где
и теряется (рис. 2-18).
Чтобы понять место экосистем в этом
природном потоке энергии, важно пред-
ставлять себе, что, как бы протяженны и
сложны они ни были, ими используется
лишь небольшая его часть. Отсюда сле-
дует второй основной принцип функциони-
рования экосистем: они существуют за
счет не загрязняющей среду и практически
вечной солнечной энергии, количество ко-
торой относительно постоянно и избы-
точно.
Рассмотрим более детально каждую из
перечисленных характеристик солнечной
энергии.
Избыток. Растения используют всего
лишь 0,5% ее количества, достигающего
Земли. Даже если бы люди существовали
исключительно за счет солнечной энергии,
они бы использовали еще меньшую ее
часть. Таким образом, ее поступающего
на Землю количества вполне достаточно
для удовлетворения любых мыслимых
потребностей человечества. Поскольку
вся солнечная энергия в конечном счете
превращается в тепло, увеличение ее ис-
пользования для хозяйственных нужд не
должно повлиять на динамику биосферы.
Чистота. Хотя ядерные реакции, иду-
щие в недрах Солнца и служащие источ-
ником его энергии, и сопровождаются
радиоактивным загрязнением, все оно ос-
тается в 93 млн. миль (150 млн. км) от
Земли. Таким образом, солнечная энер-
гия-«чистая». В этом ее отличие от энер-
гии, получаемой путем сжигания ископае-
мого топлива или на атомных электро-
станциях.
Постоянство. Солнечная энергия всег-
да будет доступна в одинаковом (безгра-
ничном) количестве и по неизменной цене
(бесплатно). На ее поступление не влияют
политические эмбарго или экономические
трудности. В то же время она слишком
рассеяна; чтобы она служила человечест-
ву, ее надо сконцентрировать, однако это
препятствие вполне преодолимо.
Вечность. Астрономы полагают, что
через несколько миллиардов лет Солнце
погаснет, однако это не имеет для нас
практического значения. Ведь люди, судя
по их древнейшим доисторическим остат-
кам, существуют только около 3 млн. лет.
Это всего 0,3% миллиарда. Таким обра-
зом, даже если через 1 млрд, лет жизнь на
Земле станет невозможной, у человечества
2. ЭКОСИСТЕМЫ: КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ?
79
биомасса
продуцентов
биомасса
вторичных
биомасса
первичных
консументов
тепло
Потребленная
тепло
Усвоен-
ная
Потреблен-
ная
Фекалии
Непотрев-
ленная
Неорганические
; татки | Биогены, возвра-
вфШяиях 1 щаемые в окру-
жающую среду
/ восстановление
Н еу с воС
енная ^ ***'-
[ Ту биомасса третьего
’ трофич. уровня
неорганичес-
кие виогены
биомасса второго \ Энергия
тр£фического_уровня июгж
Непотревлен-
ная
Детрит первого трофи-
ческого уровня
Рис. 2-19. Снижение биомассы с повышением
трофического уровня. Значительная часть
биомассы предыдущего трофического уровня
вообще не потребляется, и существенная доля
потребленной биомассы используется не на
рост, а на получение энергии
в запасе еще 99,7% этого срока, причем
каждые 100 лет он будет уменьшаться
всего на 0,00001%.
Поток энергии
и снижение биомассы
на высших трофических
уровнях
Рассматривая поток энергии в экоси-
стемах, легче понять, почему с повыше-
нием трофического уровня биомасса сни-
жается. Следует принять во внимание два
фактора. Во-первых, любую популяцию
живых организмов можно рассматривать
как биомассу (общую.массу живых орга-
низмов), которая каждый год увеличива-
ется за счет роста и размножения организ-
мов и одновременно сокращается за счет
их естественной гибели и потребления
консументами. Если она остается на по-
стоянном уровне, как и бывает в стабиль-
ной экосистеме, следовательно, фитофаги,
например, съедают за год не больше того,
что производят продуценты. Если они
будут съедать больше (скажем, при избы-
точном выпасе), популяция продуцентов
в конце концов исчезнет. Во-вторых, су-
щественная доля потребляемой консумен-
тами биомассы не усваивается ими и воз-
вращается в экосистему в виде экскремен-
тов. Если при этом еще учесть, что боль-
шая часть переваренной пищи расходует-
ся на выработку энергии, становится по-
нятно, почему общая биомасса продуцен-
тов во много раз больше, чем у расти-
тельноядных животных. То же самое
наблюдается и при переходе на более
высокие трофические уровни (рис. 2-19).
80
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
ЭНЕРГИЯ
СВЕТА
Первичные
консументы
Вторичные
консументы
Детритофаги
второго
порядка
Консументы
третьего
порядка
Источники
неорганичес-
ких виогенов
в окружаю-
щей среде
N, Р, К,Са,
Fe,C02,H20
Детрит
Мертвые рас-
тительные и
, животные
•ч остатки
Детритофаги
Возврат
неорганических
виогенов
ТЕПЛОВАЯ
ЭНЕРГИЯ
Неоргани-
ческие
виогены
Рис. 2-20. Круговорот биогенов в экосистемах
и поток энергии через них. Если расположить
организмы в соответствии с их пищевыми
взаимоотношениями, указав для каждого
из них «вход» и «выход» энергии и биогенов,
станет очевидно, что биогены непрерывно
рециклизуются внутри экосистемы, а поток
энергии проходит через нее
Здесь мы имеем дело с третьим основным
принципом функционирования экосистем:
чем больше биомасса популяции, тем ниже
должен быть занимаемый ею трофический
уровень.
Интересно, что писатели-фантасты
часто игнорируют этот принцип, живопи-
суй громадных хищных чудовищ, живу-
щих в голых пустынях. Кроме того, в их
произведениях встречаются замкнутые и
якобы самоподдерживающиеся пищевые
цепи, не включающие продуцентов. Исхо-
дя из второго начала термодинамики, это
попросту невозможно. Даже если искусст-
венно создать такую систему, слагающие
ее организмы быстро вымрут от голода.
Три перечисленных выше основных прин-
ципа функционирования экосистем-кру-
говорот биогенов, поток солнечной энер-
гии и снижение биомассы при повышении
трофического уровня-представлены в ви-
де обобщенной схемы на рис. 2-20.
Связь с жизнью человека
Как уже говорилось в гл. 1, поворот-
ным пунктом в эволюции человека от
2. ЭКОСИСТЕМЫ: КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ?
81
стадии первобытных охотников-собирате-
лей к созданию цивилизации стало воз-
никновение около 10 тыс. лет назад
сельского хозяйства. Впоследствии люди
достигли выдающихся успехов в создании
и расширении пищевых цепей, позволив-
ших им процветать в течение относитель-
но короткого периода времени. Однако
условия долговременной устойчивости
экосистем при этом явно недоучитыва-
лись.
То, что сейчас мы столкнулись с це-
лым рядом экологических проблем, обус-
ловлено именно недостаточным внима-
нием, которое уделялось описанным в
этой главе принципам. Давайте рассмот-
рим, как мы противоречим каждому из
них.
Первый принцип. В естественных эко-
системах использование ресурсов и избав-
ление от отходов осуществляются в рам-
Рис. 2-21. В отличие от природного круго-
ворота биогенов в человеческом обществе их
движение имеет начало и конец. На обоих
концах этого потока возникают и обостряются
экологические проблемы
ках круговорота всех элементов. Закон
сохранения массы был сформулирован
более 200 лет назад, а мы по-прежнему
управляем нашей экосистемой так, будто
элементы непрерывно возникают в одном
месте и начисто исчезают в другом, как
говорится, с глаз долой-из сердца вон.
Например, мы разрабатываем месторож-
дения фосфоритов, запасы которых, хотя
и велики, все же не бесконечны. Извлечен-
ным из них фосфатом удобряют культур-
ные растения, чтобы повысить их урожай-
ность. Питаясь продукцией сельского хо-
зяйства, мы спускаем отходы нашей жиз-
недеятельности в канализацию, откуда
они так или иначе попадают в естествен-
ные водоемы, обогащая их фосфатами,
которые уже не возвращаются на сушу
(рис. 2-21). Совершенно очевидно, что та-
кая система неустойчива. Рано или поздно
месторождения истощатся. Но сейчас еще
важнее то, что по всей планете водные
экосистемы озер, заливов и эстуариев на-
рушаются (и даже разрушаются) из-за
избыточного поступления в них фосфатов
и нитратов (см. гл. 9).
То же самое можно сказать и о дру-
82
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Рис. 2-22. А. Разведение домашнего скота и
птицы фактически представляет собой процесс
не производства, а потребления пищи. Урожай
с единицы посевной площади, идущий на
корм домашним животным, которые в свою
очередь поедаются человеком (занимающим
в результате третий трофический уровень), мог
бы прокормить гораздо больше людей, если бы
они потребляли его сами (т. е. занимали бы
второй трофический уровень)
гих элементах, «питающих» промышлен-
ность, например о ртути. В отсутствие
их круговорота происходит истощение ре-
сурсов, с одной стороны, и загрязнение
окружающей среды-с другой. Не забудем
и о том, что многие используемые в про-
мышленности металлы крайне токсичны.
Второй принцип. Экосистемы сущест-
вуют за счет не загрязняющей среду и
практически вечной солнечной энергии,
количество которой относительно по-
стоянно и избыточно. До Промышленной
революции люди облегчали свой труд,
используя энергию домашних животных,
дров, ветра и воды. Все это-непрямые
источники солнечной энергии. Лишь в
Рис. 2-22. Б. Количество фунтов зерна и сои,
скармливаемых для получения одного фунта
мяса или яиц (Сельскохозяйственный департа-
мент США)
2. ЭКОСИСТЕМЫ: КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ?
83
последние 250 лет мы стали использовать
ископаемое топливо, но спустя даже та-
кой короткий период оказались на пороге
истощения его ресурсов. Более того, его
сжигание породило многочисленные
проблемы загрязнения окружающей сре-
ды, включая возможность катастрофиче-
ских по своим последствиям изменений
климата в результате избыточного пос-
тупления в атмосферу углекислого газа.
Ядерная энергетика, развивающаяся в
последние 40 лет, не сулит особых улуч-
шений. Очевидно, что все практические
попытки найти альтернативу солнечной
энергии чреваты неустойчивостью чело-
веческой экосистемы.
Третий принцип. На конце длинных пи-
щевых цепей не может быть большой
биомассы. За последние 100 лет числен-
ность человечества возрастала с феноме-
нальной скоростью и продолжает увели-
чиваться примерно на 90 млн. человек
в год. Тем не менее множество людей,
особенно в развитых странах, по своему
рациону относятся в основном к третьему
трофическому уровню, т. е. едят мясо. По-
скольку для производства одного его фун-
та требуется от 10 до 20 фунтов зерна,
такой характер нашего питания ложится
тяжелым бременем на сельское хозяйство
(рис. 2-22). Чтобы все люди могли позво-
лить себе мясной рацион, надо примерно
в 10 раз расширить посевные площади.
Стремление увеличить сельскохозяйствен-
ную продукцию оборачивается разруше-
нием почв в результате эрозии и перевы-
паса. Рост численности населения при сни-
жении плодородия земель чреват продо-
вольственным кризисом.
Как уже отмечалось во введении, луч-
ший путь проверить и подтвердить тео-
рию-создание на ее основе функциони-
рующей системы. Конструирование ми-
ниатюрных водных «биосфер» (микрокос-
мов) стало в последнее время обычным
заданием для студентов-экологов. Водные
растения, несколько питающихся ими
мелких рыбок и небольшое число улиток
(детритофагов) в герметично закрытом
аквариуме могут существовать неопреде-
ленно долго, если хватает света для фото-
синтеза. В Аризоне в настоящее время
осуществляется проект Биосфера-П,
в аналогичную замкнутую среду включе-
ны и люди (см. пример к главе).
Выводы очевидны. Только на основе
рециклизации (неоднократного использо-
вания) элементов и потребления чистой,
практически вечной солнечной энергии че-
ловечество сможет обеспечить себе устой-
чивое развитие. Изучая естественные эко-
системы, мы поняли принципы их функ-
ционирования, проверили их эксперимен-
тально и даже добились некоторого успе-
ха на пути внедрения их в нашу жизнь.
Технологии промышленного использова-
ния солнечной энергии уже находятся на
пороге широкомасштабного распростра-
нения, все больше населенных пунктов
переходит к рециклизации сточных вод
и отходов. Однако из-за невежества и
инерции мышления большинство людей
продолжают идти по пути неустойчивого
развития. Очевидно, нужно еще многое
сделать, чтобы изменить такое положение
вещей. При выработке экономической
стратегии следует в первую очередь обра-
щать внимание на стимулирование безот-
ходных технологий, развитие солнечной
энергетики и поддержание плодородия
почв. В соответствующих главах мы обсу-
дим эти проблемы и возможные пути их
разрешения более детально.
Пример
Биосфера-П
В начале 1990-х гг. в 30 милях к северу
от города Тусон (шт. Аризона) четверо
мужчин и четверо женщин войдут в герме-
тично закрытое сооружение из стекла
и стали площадью с два футбольных поля.
Дверь за ними также герметически за-
кроется, и изолированное помещение на
два года станет их миром. Нет, это не
тюрьма; все эти люди-исследователи, по-
ложившие много сил на подготовку к дан-
ному эксперименту. Речь идет о выдер-
жавшей строгий отбор команде Биосфе-
ры-11 -прототипа космической станции,
проходящей испытания здесь, на Земле.
Частная компания “Space Biospheres Ven-
tures” разработала этот проект, чтобы
84
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Архитектурная модель Биосферы-П (Peter
Menzel)
собрать информацию и проверить систе-
мы, которые могут быть впоследствии
использованы при создании постоянных
автономных обитаемых станций на Луне
и других планетах. Кроме того, проект
позволит получить ценные указания, ка-
сающиеся возможных путей управления
Биосферой-1, т. е. нашим собственным
«космическим кораблем Земля».
Что же представляет собой Биосфе-
ра-1П Здесь нет традиционных баллонов
с кислородом, цистерн с водой, ящиков
с продуктами и контейнеров для отходов,
поскольку, как бы велики все эти емкости
ни были, они, вполне очевидно, не беспре-
дельны. Все системы Биосферы-11 разра-
ботаны в соответствии с принципами
функционирования естественных земных
экосистем. Помимо восьми человек эки-
пажа здесь находится около 4 тыс. видов
растений, мелких млекопитающих, птиц,
рептилий, насекомых и почвенных микро-
организмов. Изученные и отобранные по
принципу их совместимости и способ-
ности к формированию устойчивых пи-
щевых цепей и рециклизации отходов, эти
организмы войдут в состав целого ряда
экосистем: фрагментов дождевого тро-
пического леса, саванны, жестколистного
средиземноморского кустарника, пусты-
ни, пресноводного и соленого болот и,
наконец, мини-океана с живым корал-
ловым рифом. Вода будет циркулировать
и очищаться благодаря работе жалюзи,
регулирующих солнечное освещение, ко-
торое будет приводить в действие кон-
векционные потоки теплого воздуха,
вызывающие испарение с поверхности
«океана». Конденсируясь, влага будет вы-
падать в виде сильных дождей над «тро-
пическим лесом». Отсюда она будет про-
сачиваться в «болота» и снова в «океан»
через почвенные фильтры, обспечивая
постоянное снабжение чистой пресной во-
дой как людей, так и экосистем. В процес-
се фотосинтеза будет поглощаться выде-
ляемый при дыхании углекислый газ
и поддерживаться необходимое содержа-
ние в воздухе кислорода. Таким образом
«естественные» экосистемы обеспечат эко-
логическую стабильность атмосферы и
гидросферы станции.
Хотя экипаж Биосферы-П и будет
контролировать работу этих природных
экосистем, основную часть времени иссле-
дователи проведут в другом отсеке стан-
ции, где разместятся комфортабельные
жилые помещения, а также сельскохозяй-
ственные посевы, обеспечивающие пита-
ние как самих людей, так и нескольких коз
и кур. Домашние животные дополнят
рацион экипажа молоком, яйцами и мя-
сом. Дополнительный белок даст аква-
культура (рыбное хозяйство). На станции
предусмотрены лаборатории со всем не-
обходимым для проведения исследований
и мониторинга состояния Биосферы-П.
У людей будет возможность с помощью
компьютерных систем передавать и полу-
чать любую информацию и даже смот-
реть фильмы, однако это будет единствен-
ная связь с внешним миром.
Поскольку пространство Биосферы-П
ограничено и сравнительно невелико, то
совершенно ясно, что на станции негде
хранить отходы жизнедеятельности, не
рискуя при этом нарушить баланс всей
системы. Поэтому все экскременты людей
и животных, а также другие побочные
продукты будут очищаться и разлагаться,
минеральные биогены из них рециклизо-
ваться, обеспечивая развитие растений,
а те в свою очередь пойдут в пищу людям,
рыбе и домашним животным. Полностью
исключается применение токсичных хими-
ческих веществ, в частности пестицидов.
Борьба с вредителями культур будет осу-
ществляться биологическими методами.
Не допускается также использование за-
2. ЭКОСИСТЕМЫ: КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ?
85
грязняющих среду источников энергии,
например сжигание топлива. Всю энергию
для приготовления пищи, освещения и ра-
боты оборудования будут давать солнеч-
ные батареи, преобразующие световое из-
лучение непосредственно в электричество
без каких бы то ни было побочных про-
дуктов.
Опыт жизни внутри космической стан-
ции явится, возможно, важнейшим ре-
зультатом испытаний Биосферы-1Г. все
мы фактически живем в таких же усло-
виях. Космический корабль Земля лишь
несколько крупнее, но не менее уязвим
для действий безответственного экипажа.
С разрешения “Space Biospheres Ventu-
re s”.
Экосистемы: почему они устойчивы?
Почему изменяются?
Раздел
I. ГЛАВНОЕ-РАВНОВЕСИЕ .... 87
А. Равновесие экосистемы-это равновесие
популяций ........................
1. Биотический потенциал и сопротив-
ление среды.....................88
2. Зависимость от плотности и критичес-
кая численность................90
Б. Механизмы популяционного равнове-
Учебные вопросы
1. В чем причина стабильности экосистем?
Почему они изменяются?
2. Чем представлены виды в экосистеме? Как
должны соотноситься рождаемость и смер-
тность в стабильной экосистеме?
3. Дайте определение и сравните смысл био-
тического потенциала и сопротивления сре-
ды. Из чего они слагаются? Сформулируйте
принцип существования стабильной попу-
ляции. Что происходит, если равновесие
нарушается?
4. Что имеется в виду, когда говорят, что
фактор зависит от плотности? Как эта
зависимость способствует поддержанию
популяционного равновесия? Почему воз-
действие человека с большей вероятностью
приводит к вымиранию видов? Что такое
критическая численность вида?
сия ...........................90
1. Равновесие систем хищник-жертва
и паразит-хозяин.............90
Пример. Вымирание зубчатого каштана 109
2. Приспособление к местообитаниям
и экологическим нишам .... 93
а. Животные.................93
б. Растения.................94
3. Конкуренция между растениями и
5. Опишите, как отношения хищник-жертва
и паразит - хозяин способствуют поддержа-
нию популяционного равновесия участвую-
щих в них видов. Кто такие естественные
враги? Почему при наличии нескольких ес-
тественных врагов популяционное равно-
весие устойчивее? Сформулируйте соответ-
ствующий принцип. Поддерживается ли
равновесие «автоматически»? Приведите
примеры отсутствия равновесия.
6. Дайте определение местообитания и эко-
логической ниши. Поясните разницу между
ними.
7. Приведите примеры того, как приспособ-
ленность растений и животных к конкрет-
ным хмсстообитаниям и/или нишам снижа-
ет межвидовую конкуренцию. Почему это
увеличивает биологическое разнообразие
экосистем и способствует поддержанию их
равновесия?
3. ЭКОСИСТЕМЫ: ПОЧЕМУ ОНИ УСТОЙЧИВЫ? ПОЧЕМУ ИЗМЕНЯЮТСЯ?
87
равновесие системы фитофаг-расте-
ние ..........................95
4. Огонь........................96
5. Территориальность...........100
В. Изменение экосистем: сукцессия 101
1. Первичная сукцессия.........101
2. Вторичная сукцессия..........105
3. Климаксовая экосистема . . .106
4. Степень нарушенности и скорость из-
менения: сукцессия, нарушение или
гибель..........................107
II. СВЯЗЬ С ЖИЗНЬЮ ЧЕЛОВЕКА 107
8. Кто такие фитофаги! Объясните, как они
способствуют поддержанию разнообразия
и стабильности экосистем.
9. Приведите примеры экосистем, сохраняю-
щихся благодаря периодическим пожарам.
10. Что такое территориальность! Как она
ограничивает плотность популяций неко-
торых видов? Почему это способствует ста-
бильности экосистем?
11. Приведите примеры постепенного измене-
ния природных экосистем. Дайте определе-
ние и приведите примеры первичной и вто-
ричной сукцессий, климаксовой экосистемы.
12. Чем отличаются изменения экосистем, вы-
званные человеком, от естественных сукцес-
сий? В чем разница между сукцессией, нару-
шением, гибелью экосистемы?
13. Разнообразна ли экосистема человека? Ста-
бильна ли она? Поясните. Возможно ли
устойчивое развитие человечества без со-
хранения биологического разнообразия
природных экосистем? Поясните. Как Вы
лично можете способствовать поддержа-
нию биологического разнообразия?
Итак, каждая экосистема-это дина-
мическая структура из сотен и даже тысяч
видов продуцентов, консументов, детри-
тофагов и редуцентов, которых связыва-
ют пищевые цепи и непищевые взаимоот-
ношения. Экосистема поддерживает свое
существование за счет круговорота биоге-
нов и постоянного притока солнечной
энергии. Но почему фитофаги не унич-
тожат все растения? Что препятствует
хищникам истребить все свои жертвы?
Почему один вид не может вытеснить все
остальные путем конкуренции? Короче го-
воря, за счет чего поддерживается ста-
бильность экосистем?
Из гл. 1 мы узнали общий принцип
действия лимитирующих факторов, кото-
рые ограничивают распространение вида
пределами области, к условиям которой
он наиболее приспособлен. Разовьем эту
идею, чтобы лучше понять, как экосисте-
ма сохраняет свой состав, несмотря на
очевидное столкновение интересов и кон-
куренцию многих слагающих ее видов.
Здесь есть чему поучиться у природы, если
мы хотим знать, что делать для обеспече-
ния устойчивости нашей экосистемы.
Главное - равновесие
Не существует ни жестких структур, ни
сил, предотвращающих изменения в эко-
системах. Они вполне могут меняться,
даже радикальным образом, в зависимос-
ти от условий. Одна из причин, позво-
ляющих экосистемам длительное время
сохранять постоянный видовой состав, за-
ключается в том, что отношения между
всеми их компонентами находятся в дина-
мическом равновесии.
Равновесие экосистемы-
это равновесие популяций
Каждый вид (растений, животных или
микроорганизмов) в составе экосистемы
представлен популяцией, т. е. группой осо-
бей, скрещивающихся друг с другом и та-
ким образом размножающихся. Без этого
условия вид из экосистемы исчезнет. Ста-
бильность экосистемы в течение длитель-
ного времени предполагает, что и популя-
ция каждого входящего в нее вида остает-
ся более или менее неизменной. Устойчи-
вое увеличение или снижение численности
88
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
любой популяции приведет к изменению
экосистемы в целом. Стабильность попу-
ляции означает, что рождаемость в ней
уравновешена смертностью. Таким обра-
зом, проблема сохранения экологического
равновесия сводится к поддержанию рав-
новесия между смертностью и рождае-
мостью каждого вида экосистемы.
Биотический потенциал
и сопротивление среды
Сохранение или рост численности по-
пуляции зависят не только от скорости
размножения (числа новорожденных, от-
ложенных яиц, произведенных семян или
спор в единицу времени). Не менее важно
и пополнение половозрелого состава попу-
ляции за счет потомства. Высокая ско-
рость размножения при низких темпах
пополнения не может существенно увели-
чить ее численности. Например, рыбы
и моллюски, как правило, выметывают
тысячи и даже сотни тысяч икринок, но
лишь ничтожный процент из них выжи-
вает и развивается во взрослое животное.
То же относится и к растениям, обычно
рассеивающим огромное число семян.
И напротив, размер популяции может
расти за счет увеличения темпов пополне-
ния даже при значительном снижении ско-
рости размножения. У людей, в частнос-
ти, она относительно низка, но по сравне-
нию с ней уровень пополнения популяции
благодаря заботе родителей о детях очень
высок.
К другим важным факторам, ведущим
к росту популяции, относятся способность
животных мигрировать, а семян рассеи-
ваться в подходящие местообитания на
новых территориях, приспосабливаться
к новым типам местообитаний и заселять
их, наличие защитных механизмов и ус-
тойчивость к неблагоприятным условиям
среды и болезням. Совокупность всех
этих факторов, способствующих увеличе-
нию численности вида, называется его
биотическим потенциалом.
Хотя у разных видов составляющие
биотического потенциала неодинаковы,
просматривается одно его общее свойст-
во. У всех видов он достаточно высок для
стремительного увеличения численности
при благоприятных условиях среды. В
этих случаях рост популяции может быть
столь быстрым, что обычно говорят о по-
пуляционном взрыве.
В естественных условиях такое наблю-
дается крайне редко, так как вероятность
того, что все условия окажутся для вида
благоприятными, очень низка. Обычно
один или несколько абиотических (неоп-
тимальная температура, кислотность, со-
леность, влажность) и/или биотических
(присутствие хищников, паразитов, болез-
нетворных организмов, нехватка пищи)
факторов становятся лимитирующими.
Сочетание всех таких «ограничителей» на-
зывают сопротивлением среды (рис. 3-1).
Оно сильнее всего действует на моло-
дых особей, больше других страдающих
от нападения хищников, болезней, недос-
татка воды и пищи или других неблаго-
приятных условий. Они снижают темпы
пополнения, хотя скорость размножения
может остаться прежней. При более суро-
вых условиях гибнет и часть половозрелых
особей. Следовательно, рост, снижение
или постоянство численности популяции
зависит от соотношения между биотичес-
ким потенциалом (прибавлением особей)
и сопротивлением среды (гибелью особей)
(рис. 3-2). Можно сформулировать следу-
ющий принцип изменения популяций: изме-
нения популяции какого-либо вида-это ре-
зультат нарушения равновесия между ее
биотическим потенциалом и сопротивле-
нием окружающей ее среды.
Подобное равновесие называют дина-
мическим, т. е. непрерывно регулирую-
щимся, так как факторы сопротивления
среды редко подолгу остаются неизмен-
ными. Например, в какой-то год популя-
ция может резко снизить свою числен-
ность из-за засухи, а в последующие годы
с нормальным увлажнением полностью
восстановить ее. Подобные циклические
колебания обычно продолжаются неопре-
деленно долго. Равновесие - понятие
относительное. Иногда амплитуда откло-
нений от него мала, иногда очень значи-
тельна, но, пока сократившаяся популя-
ция еще способна восстановить прежнюю
численность, оно существует.
3. ЭКОСИСТЕМЫ: ПОЧЕМУ ОНИ УСТОЙЧИВЫ? ПОЧЕМУ ИЗМЕНЯЮТСЯ?
89
ПОКОЛЕНИЯ
Рис. 3-1. Все организмы обладают биотичес-
ким потенциалом, т. е. способны быстро
увеличивать свою численность при оптималь-
ных условиях среды. Кривая ее роста в таких
случаях имеет вид экспоненты; говорят,
что происходит популяционный взрыв. Но
условия никогда не остаются оптимальными
бесконечно долго. Факторы сопротивления
среды ведут к увеличению смертности, и
кривая численности выходит на плато или даже
идет вниз, если популяционный взрыв вызвал
истощение жизненно важных ресурсов эко-
системы
Однако остается вопрос о причинах
его сохранения. Что предотвращает взрыв
численности популяции или ее вымира-
ние? Ведь и то и другое вполне возможно.
И вымирание видов, и популяционные
взрывы наблюдаются в природе, особен-
но часто при вмешательстве человека.
Причем если взрывы численности носят
временный характер, то, как подчеркивает
известный лозунг Международного фонда
о
ПОТЕНЦИАЛ
Рождаемость
Способность к расселению
Способность к захвату
новых местообитаний
Защитные механизмы
Способность выдерживать
неблагоприятные условия
СРЕДЫ
Нехватка питания
Нехватка воды
нехватка подходящих
местообитаний
Неблагоприятные
погодные условия
Хищники
Болезни
Паразиты
Конкуренты
Рис. 3-2. Равновесное состояние популяции
определяется соотношением факторов, увели-
чивающих или снижающих ее численность
90
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
любителей диких животных, «вымирание -
это навсегда».
Зависимость от плотности
и критическая численность
Равновесие в природных экосистемах
обычно поддерживается в пределах неко-
торого диапазона отклонений от него, так
как факторы сопротивления среды зависи-
мы от плотности популяции, т. е. от числа
особей на единицу площади. Если плот-
ность растет, сопротивление среды усили-
вается, в связи с чем увеличивается смерт-
ность, и рост численности прекращается
или даже сменяется ее спадом. И напро-
тив, с уменьшением плотности сопротив-
ление среды обычно ослабевает, позволяя
прежней численности восстановиться.
Воздействие человека на природу за-
частую приводит к вымиранию популя-
ций, так как не зависит от плотности.
Разрушение им экосистем, изменение мес-
тообитаний, загрязнение среды и чрезмер-
ная эксплуатация ресурсов одинаково
влияют на популяцию как с низкой, так
и с высокой плотностью. Кроме того,
биотический потенциал многих видов за-
висит от определенной минимальной, т. е.
критической численности популяции, будь
то стадо оленей, стая птиц или косяк рыб.
Если она падает ниже этого уровня, га-
рантирующего воспроизведение группы,
биотический потенциал резко снижается,
и вымирание становится практически не-
избежным.
Обратим внимание, что существование
вида бывает поставлено под угрозу, даже
если множество его представителей живы
и здоровы. К примеру, тысячи любителей
могут содержать в прекрасных условиях
боа-констрикторов или попугаев. Одна-
ко изолированные от природной среды
и друг от друга они обречены на выми-
рание.
Механизмы популяционного
равновесия
Теперь обратимся к некоторым осо-
бым механизмам, обеспечивающим рав-
новесие естественных популяций. Для
удобства изложения рассмотрим их по
отдельности, не забывая, что в природе
все они могут действовать одновременно
и вместе определять общее равновесие.
Знание таких механизмов поможет понять
причины нарушения экосистем и его воз-
можные последствия.
Равновесие систем хищник-жертва
и паразит-хозяин
Популяционное равновесие может дос-
тигаться за счет взаимодействия хищника
и его жертвы. Классический пример по-
добных взаимоотношений - охота рыси на
зайцев. Когда численность зайцев невысо-
ка, каждый из них может найти достаточ-
но пищи и удобных укрытий для себя
и своих детенышей. Другими словами,
уровень сопротивления среды для «жертв»
относительно низок, и их численность уве-
личивается, несмотря на присутствие хищ-
ника-рыси.
Однако с ростом популяции зайцев
уменьшается количество доступного для
них корма и убежищ. Изобилие зверьков
облегчает рыси охоту и выкармливание
детенышей. В результате ее численность
начинает также расти. Вскоре популяция
зайцев начинает испытывать усилившееся
сопротивление среды в виде нехватки кор-
ма, убежищ и усиления хищничества. В ре-
зультате ее численность снижается. При
этом для каждой «жертвы» вновь возрас-
тает количество пищи и доступных укры-
тий. К тому же выживают, как правило,
наиболее сильные зайцы, для которых
шансы спастись от рыси «выше среднего».
Охотиться хищникам становится труднее,
они испытывают нехватку пищи, и их
численность падает. Перечисленные выше
факторы означают снижение сопротивле-
ния среды для зайцев, и их опять стано-
вится больше; затем весь цикл повторяет-
ся. Подобная модель объясняет наблюда-
емые в природе периодические колебания
численности популяций зайцев и рысей
вокруг некоего среднего уровня (рис. 3-3).
Хотя крупные хищники вроде рыси
чаще привлекают внимание исследовате-
лей, они относительно редко бывают
главным контролирующим фактором.
^ЭКОСИСТЕМЫ: ПОЧЕМУ ОНИ УСТОЙЧИВЫ? ПОЧЕМУ ИЗМЕНЯЮТСЯ?
91
Заяц
Рысь
160000
140000
120000
100000
80000
60000
40000
20000
1850 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930
Годы
Рис. 3-3. Отношения хищник-жертва поддер-
живают равновесие их популяций. Представ-
ленные данные отражают количество шкурок,
добытых Компанией Гудзонова залива
(D. A. MacLulich, University of Toronto Studies,
Biological Series, № 43, 1937)
и хищников. Следовательно, речь идет
о равновесии между ним и его естествен-
ными врагами. В сложной пищевой сети
оно значительно устойчивее и менее под-
вержено резким колебаниям, так как раз-
ные враги начинают снижать численность
Значительно многочисленнее и важнее в
этом плане разнообразные паразиты-от
глистов длиной в несколько метров (см.
рис. 1-7) до микроскопических болезне-
творных простейших, грибов, бактерий
и вирусов. Все виды растений, животных
и даже сами микробы могут поражаться
паразитами.
Эти организмы поддерживают попу-
ляционное равновесие в общем так же, как
и крупные хищники. Когда плотность по-
пуляции организма-хозяина увеличивает-
ся, паразиты и их переносчики (например,
кровососущие насекомые) легко находят
себе новые жертвы, и смертность хозяев
растет. Когда же плотность последних
низка, распространение паразитов затруд-
нено, число пораженных особей падает
и численность вида-хозяина восстанавли-
вается.
Паразиты не обязательно убивают хо-
зяина, но обычно ослабляют его и делают
более чувствительным к влиянию небла-
гоприятных условий и/или хищничеству.
Как правило, животные, пойманные хищ-
никами, сильно поражены паразитами,
а застреленные охотниками здоровы.
В пищевой сети каждый организм
обычно зависит от нескольких паразитов
Второй хищник ( дополнительно
снижает численность)
Первый хищник (частично
снижает численность)
Время
Б
Рис. 3-4. А. Плотность популяций в системе
единственный хищник-единственная жертва
сильно колеблется из-за сдвига по фазе между
изменениями численности одного и другого
вида. Б. Когда естественных врагов несколько,
они сокращают численность вида-жертвы при
разной плотности его популяции; в результате
колебания сглаживаются
92
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
вида при разной плотности его популя-
ции. Когда она достаточно снижается,
естественные враги могут переключаться
на другие источники пищи. В результате
«сдвиг по фазе» между численностями
жертвы и хищника сокращается. Это зна-
чительно ослабляет изменения популяции
жертвы (рис. 3-4), тогда как ее резкие
колебания, как в случае с рысью и зайцем,
характерны для сравнительно простых
экосистем с небольшим числом видов.
Значит, можно сформулировать принцип
стабильности экосистем: видовое разнооб-
разие обеспечивает стабильность экосис-
тем.
Равновесие в системах хищник-жерт-
ва и паразит-хозяин не возникает «авто-
матически», а устанавливается на протя-
жении многих тысяч и даже миллионов
лет. За это время виды, вступающие в по-
добные отношения, адаптируются друг
к другу и к среде своего обитания так, что
естественные враги не уничтожают пол-
ностью популяцию своей жертвы. В са-
мом деле, рыси не способны выловить
всех зайцев. Однако естественный враг
ограничивает рост популяции при повы-
шении ее плотности. Рыси не дают чис-
ленности зайцев расти бесконечно. Анало-
гичным образом у видов есть определен-
ная устойчивость к естественным парази-
там и болезнетворным агентам, поэтому
те не приводят к их полному вымиранию,
но способны регулировать плотность их
популяций.
Важность подобного взаимоприспо-
собления легче уяснить, рассмотрев слу-
чаи, когда его нет. Если встречаются орга-
низмы, развивавшиеся в изоляции друг от
друга, например на разных материках, их
популяции зачастую не могут сосущество-
вать в равновесии. В частности, интроду-
цированный вид не всегда сталкивается на
новом месте с естественными врагами,
способными контролировать его числен-
ность. В результате его популяция стре-
мительно растет, что в свою очередь
иногда наносит чудовищный ущерб мест-
ной экосистеме, включая вымирание мно-
гих ее видов. Классические примеры тако-
го рода - интродукция кроликов в Австра-
лию и занос грибка, вызывающего рак
коры каштана, в Северную Америку (см.
пример к главе).
Рис. 3-5. Стравленная растительность - резуль-
тат неконтролируемого увеличения числен-
ности кроликов в Австралии. По одну сторону
изгороди (справа)- пастбище с сочной травой,
по другую-голая почва. В Австралии были
установлены тысячи миль таких изгородей, но
и с их помощью не удалось остановить
распространение этого фитофага (фото Австра-
лийской службы информации)
3. ЭКОСИСТЕМЫ: ПОЧЕМУ ОНИ УСТОЙЧИВЫ? ПОЧЕМУ ИЗМЕНЯЮТСЯ?
93
В 1859 г. в Австралию из Англии для
спортивной охоты завезли кроликов. При-
родные условия здесь оказались для них
благоприятными, а местные хищники -
динго-не опасными, так как бегали не-
достаточно быстро. В результате кролики
расплодились настолько, что на обшир-
ных территориях уничтожили раститель-
ность пастбищ (рис. 3-5).
Многие опаснейшие вредители сель-
скохозяйственных культур и лесов, напри-
мер японский жучок и непарный шелко-
пряд, не встречают естественных врагов
в экосистемах, где причиняют максималь-
ный ущерб, поскольку попали в них из
других сообществ.
Равновесие в системах хищник-жерт-
ва и паразит-хозяин может нарушиться
при введении в них слишком эффектив-
ного «врага». Домашние кошки, завезен-
ные на острова, часто оказывались значи-
тельно ловчее местных животных и в ре-
зультате полностью истребили многие
уникальные виды островной фауны.
В некоторых случаях введение в экоси-
стему естественного врага заносного вре-
дителя приносило успех в борьбе с по-
следним, но здесь все не так просто, как
кажется на первый взгляд. Завезенный
враг совершенно необязательно сосредо-
точится на истреблении своей привычной
добычи. Например, лисы, интродуциро-
ванные в Австралию для уничтожения
кроликов, нашли в изобилии более лег-
кую добычу-местных сумчатых, не до-
ставляя запланированной жертве особых
хлопот. Лишь позже удалось отыскать
паразита кроликов, который позволил
разрешить проблему. Мы обсудим борьбу
с вредителями при помощи их естествен-
ных врагов в гл. 17.
Приспособление к местообитаниям
и экологическим нишам
Местообитание-это место, где жи-
вет организм, например лес, луг, болото
или даже внутренности другого организ-
ма (в случае эндопаразитов). Экологичес-
кой нишей (или просто нишей) называют
пространственно-временное положение
организма в рамках экосистемы-где, ког-
да и чем он питается, где устраивает
гнездо и т. д., это как бы его «профессия».
Животные. На первый взгляд кажется,
что животные в экосистемах должны кон-
курировать друг с другом за пищу и убе-
жища. Они иногда и конкурируют, но
значительно реже, чем кажется, так как
занимают различные ниши. Иными слова-
ми, они специализируются и адаптирова-
ны к питанию разным кормом, в разное
время и в разных местах. К примеру,
зарянки, поедающие земляных червей, не
конкурируют за пищу ни с дятлами, изв-
лекающими из стволов личинок насеко-
мых, ни с зерноядными воробьями. И му-
холовки, и летучие мыши ловят мошкару,
но в разное время - первые днем, а вторые
ночью. Жираф легко поедает листья с вер-
хушек деревьев, поэтому не конкурирует
с окружающими его травоядными.
У каждого вида животных своя ниша,
что сводит к минимуму конкуренцию
с другими видами. Поэтому в сбаланси-
рованной экосистеме присутствие одного
вида обычно не угрожает другому.
Адаптация к разным нишам связана
с действием закона лимитирующих фак-
торов (гл. 1). Пытаясь использовать ре-
сурсы за пределами своей ниши, животное
сталкивается со стрессом, т. е. с ростом
сопротивления среды. Иными словами,
в собственной нише его конкурентоспо-
собность высока, а вне ее значительно
ослабевает или пропадает вовсе.
Опять-таки отметим, что специализа-
ция и адаптация животных к определен-
ным нишам заняли миллионы лет и про-
текали в каждой экосистеме по-своему.
Интродуцированные виды могут вызы-
вать вымирание местных именно в ре-
зультате успешной конкуренции за их ни-
ши. Например:
- скворцы и домовые воробьи, заве-
зенные в Северную Америку из Европы,
за счет своего агрессивного территориаль-
ного поведения вытеснили некоторые
местные виды, например «синих птиц»
(род Sial is), из многих местообитаний;
- одичавшие ослы потравили пустын-
ные экосистемы запада США, вытеснив
оттуда снежного барана и мелких млеко-
питающих;
94
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
- местные виды рыб вытеснены из
многих североамериканских рек и озер
интродуцированным карпом;
- козы, завезенные на многие океани-
ческие острова, привели к исчезновению
многих местных видов, не выдержавших
конкуренции с ними за пищу.
Список подобных примеров, к сожале-
нию, можно продолжить. Лишь очень не-
многие интродуценты смогли выжить
в новых для себя экосистемах, не нарушив
их равновесия.
Растения. Концепция ниши применима
и к растениям. Абиотические условия в
разных местах неодинаковы, и виды выра-
ботали соответствующие адаптации. Не-
которые предпочитают высокую влаж-
ность, другие-более сухую почву; одни
лучше растут в тени и прохладе, другие-
под палящим солнцем и т. д. Как и у жи-
вотных, их конкурентоспособность высо-
ка лишь в определенных условиях, за
Рис. 3-6. Конкурирующие друг с другом виды
сосуществуют в одной области, занимая
разные местообитания. Дубы предпочитают
хорошо дренированные почвы. Платаны лучше
приспособлены к сырым условиям и выдержи-
вают затопление
Платаны
Хороший дренаж
Река
пределами которых начинается и усили-
вается стресс.
В зоне листопадных лесов востока
США повсеместно можно видеть, что пла-
таны растут по берегам рек и в поймах,
а дубы-на склонах долин. Платан при-
способлен к переувлажненным, часто за-
тапливаемым почвам; дубы, напротив,
предпочитают хороший дренаж и частых
или длительных затоплений не выдержи-
вают. Семена платана распространяются
вверх по склонам долины, и этот вид
может расти там в отсутствие дубов или
других конкурентов. Однако дуб вытес-
няет его из этого местообитания. Анало-
гичным образом желуди, попадая в пой-
му, прорастают там, но всходы гибнут от
избытка влаги и не способны конкуриро-
вать с платаном. Каждый вид выигрывает
«на своем поле», и сбалансированное со-
существование может продолжаться не-
определенно долго (рис. 3-6).
Сохранение такого равновесия, естест-
венно, предполагает неизменность усло-
вий. Как Вы думаете, что произойдет,
если построить дамбу и не давать павод-
кам заливать пойму?
Некоторые компоненты растительного
сообщества сами создают дополнитель-
ные местообитания. Например, деревья
листопадных лесов обеспечивают прохлад-
ные затененные условия под своим поло-
гом, где поселяются разнообразные мхи,
папоротники и травы. Многообразие рас-
тений ведет к дальнейшему увеличению
числа ниш и видов-консументов. Повыше-
ние сложности экосистемы и количества
пронизывающих ее связей типа хищник-
Пойма
Сырость
3. ЭКОСИСТЕМЫ: ПОЧЕМУ ОНИ УСТОЙЧИВЫ? ПОЧЕМУ ИЗМЕНЯЮТСЯ?
95
жертва и паразит-хозяин обеспечивает ее
стабильность.
Конкуренция между растениями
и равновесие системы
фитофаг-растение
Мы уже отмечали, что слабые разли-
чия в микроклимате и других абиотиче-
ских факторах поддерживают разнообра-
зие видов растений в сообществе. Однако
это еще не полностью объясняет его при-
чины, так как множество разных растений
сосуществует, даже если среда практиче-
ски однородна. В этом смысле поражают
влажные экваториальные леса. Буквально
сотни пород деревьев произрастают в них
бок о бок в как будто одинаковых усло-
виях. Ясно, что они конкурируют друг
с другом за свет, минеральные биогены
и воду. Как же поддерживается равнове-
сие такой экосистемы?
Важную роль здесь играют фитофаги,
т. е. растительноядные животные, вклю-
чая тысячи видов насекомых, нематод
и других беспозвоночных, а также круп-
ных и мелких позвоночных. Обычно каж-
дый их вид специализируется на каком-то
одном или нескольких видах растений,
вступая с ними в зависимые от плотности
отношения, сходные с описанными для
хищника и жертвы. Когда плотность по-
пуляции какого-либо растения велика,
один или несколько специализированных
на нем видов фитофагов получают пре-
имущество и начинают активно размно-
жаться. В этом случае их обилие растет
быстрее, чем его успевают сокращать
естественные враги. Происходит так на-
зываемая вспышка численности. В резуль-
тате популяция растения, служащего
источником пищи для фитофагов, практи-
чески уничтожается, и они начинают поги-
бать из-за недостатка корма и усиливше-
гося воздействия врагов. Вспышка числен-
ности может повториться, если обилие
растительной пищи вновь возрастет. Та-
ким образом, для экосистем с низким
разнообразием характерны резкие колеба-
ния размеров популяций слагающих их
организмов.
Однако низкая популяционная плот-
Результат:
многовидовое сообщество
Рис. 3-7. Видовое разнообразие обеспечивает
стабильность экосистемы. Высокая плотность
одного вида повышает вероятность гибели
значительного числа его особей при вспышке
численности вредителей; при этом освободится
место для поселения новых видов (верхние
рисунки). Повторение этого процесса повыша-
ет разнообразие экосистемы
ность какого-то растения дает возмож-
ность другим видам занять свободное
место. Если все они находятся в аналогич-
ных отношениях со своими фитофагами,
96
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Рис. 3-8. Популяции интродуцированных и
местных видов не уравновешивают друг друга.
А. Водяной гиацинт полностью покрывает
поверхность водоема, затрудняя судоходство
(фото Департамента инженерных войск США)
результатом будет сосуществование на
одной территории различных растений,
несмотря на межвидовую конкуренцию:
если одно из них начнет вытеснять осталь-
ные и увеличивать плотность популяции,
это вызовет вспышку численности соот-
ветствующего фитофага (рис. 3-7). Значит,
наиболее устойчивой будет экосистема со
многими относительно малочисленными
видами. Это вновь подтверждает прин-
цип: видовое разнообразие обеспечивает
стабильность экосистем.
Как и в случае хищника и жертвы,
равновесие в системе конкурирующих
видов растений устанавливается не авто-
матически, а вырабатывается многими
тысячелетиями совместной эволюции.
Интродуцированные из других экосистем
виды могут не вписаться в сформировав-
шуюся систему связей. Отмечено много
случаев, когда они переживали взрыв чис-
ленности, так как существующего в эко-
системе уровня конкуренции со стороны
местных растений или влияния естествен-
ных врагов оказывалось недостаточно
для ее контроля. В результате пришельцы
вытесняли местные виды растений. Это
оканчивалось трагедией и для животных,
так как разрушалась сложившаяся пище-
вая сеть.
В 1884 г. водяной гиацинт родом из
Центральной и Южной Америки был
интродуцирован во Флориду как декора-
тивный вид. Вскоре он распространился
в водоемы, где не встретил значительной
конкуренции и серьезных естественных
врагов. Местами он разросся так, что
затруднил навигацию (рис. 3-8, А). Мил-
лионы долларов затрачены на уничтоже-
ние этого водного сорняка, но успехи
здесь невелики. Мощная лиана пуэрария
волосистая, интродуцированная на юго-
восток США для борьбы с эрозией, побе-
дила местные виды в конкуренции и бук-
вально скрыла под собой все окрестные
леса (рис. 3-8, Б).
Огонь
Огонь относится к числу абиотических
факторов, заслуживающих особого рас-
3. ЭКОСИСТЕМЫ: ПОЧЕМУ ОНИ УСТОЙЧИВЫ? ПОЧЕМУ ИЗМЕНЯЮТСЯ?
97
Рис. 3-8. Б. Лиана пуэрария волосистая, засе-
лившая леса юго-востока США (фото Сельско-
хозяйственного департамента США, Служба
охраны почв)
смотрения. Верховой лесной пожар унич-
тожает практически все живое и чрезвы-
чайно разрушителен для экосистемы (рис.
3-9). К сожалению, около 70 лет назад
лесоводы и фермеры любые пожары счи-
тали опасными и организовали решитель-
ную борьбу с огнем на огромных террито-
риях. Но неожиданно выяснилось, что
устранение пожаров привело к изменению
некоторых экосистем. Относительно су-
хие редкостойные сосняки запада США,
свободные от валежника, наполнились по-
валенными стволами и сучьями отмерших
с возрастом деревьев. Этот мертвый ма-
териал стимулировал размножение насе-
комых-древоточцев, которые стали пора-
жать и живые сосны. На юго-востоке
США они стали вытесняться экономиче-
ски малоценными видами кустарниковых
дубов и другими лиственными породами.
Прекращение пожаров в семиаридных
злаковниках привело к их закустарива-
нию, что затруднило выпас скота.
В настоящее время огонь рассматри-
вается как один из естественных абиоти-
ческих факторов, поскольку пожары мо-
гут возникать, например, от молний. Раз-
ные растения по-своему приспособились
к ним. В частности, почки злаков и сосен
скрыты от огня в глубине пучков листьев
или хвоинок. Широколиственные породы,
например дубы, лишены подобного при-
способления, и их почки легко поража-
ются пожаром (рис. 3-10). Понятно, что
в периодически выгорающих местообита-
ниях сосны и злаки получают преимуще-
ство, и огонь способствует сохранению их
сообществ. В его отсутствие они постепен-
но вытесняются широколиственными по-
родами.
В относительно сухих условиях, где
низка скорость разложения опада, огонь
может играть важную роль, высвобождая
минеральные биогены из отмершей био-
массы. Выживание некоторых видов пря-
мо связано с пожарами. Например, шиш-
ки широкохвойной скрученной сосны не
раскрываются и не рассеивают семена,
пока их не опалит огонь.
Сейчас палы вновь используют для
улучшения пастбищ (рис. 3-11) и хвойных
лесов. Низовой пожар, распространяю-
4 2199
A
Рис. 3-9. А. Практически невозможно контро-
лировать низовой пожар, если в лесу накопи-
лось много валежника. На фотографии видно,
как такой пожар переходит в верховой (фото
Сельскохозяйственного департамента США,
Служба охраны почв). Б. Верховые пожары
могут полностью уничтожить лес (фото
Службы лесов США)
Рис. 3-10. Особенности расположения почек
объясняют разную степень их защиты от огня.
У сосен и злаков почки окружены листьями или
хвоей, поэтому почти не страдают; почки дубов
развиваются открыто и легко повреждаются
огнем
Рис. 3-11. Огонь-важный фактор сохранения
злаковников; зоны роста у побегов злаков
защищены от огня, и растения быстро от-
растают после пожара, уничтожающего всходы
древесных пород и многие виды разнотравья
(фото Сельскохозяйственного департамента
США, Служба охраны почв)
4*
100
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
щийся по поверхности почвы, выжигает
опад вместе с местообитаниями насеко-
мых-древоточцев и убивает всходы широ-
колиственных пород, не вредя взрослым
деревьям и диким животным (рис. 3-12).
Если низовые пожары случаются регу-
лярно раз в несколько лет, валежника на
земле мало, и это снижает вероятность
возгорания крон. В лесах же, не горевших
более 60 лет, накапливается столько от-
мершей древесины, что при ее воспламе-
нении верховой пожар почти неизбежен.
Именно это послужило главной его при-
чиной летом 1988 г. в Йеллоустонском
национальном парке. Однако даже в та-
ких случаях огонь уничтожает валежник и
больные деревья, служащие местом раз-
множения паразитов и фитофагов, высво-
бождает биогены и расчищает простран-
ство для новых видов. Возобновившийся
лес будет здоровее и разнообразнее. Же-
Рис. 3-12. Низовой пожар. Он не только
безопасен для соснового леса, но даже не-
обходим для поддержания его биологического
равновесия, поскольку сжигает избыток
валежника и убивает растения-конкуренты
сосны (фото Сельскохозяйственного департа-
мента США, Служба охраны почв)
сткий противопожарный контроль, напро-
тив, повышает пожароопасность и спо-
собствует распространению лесных вре-
дителей.
Подчеркнем, однако, что пожары под-
держивают устойчивость лишь некоторых
экосистем. Листопадным и влажным тро-
пическим лесам, равновесие которых
складывалось без влияния огня, даже ни-
зовой пожар может причинить немалый
ущерб, разрушив богатый гумусом верх-
ний горизонт почвы и приведя к вымыва-
нию из нее биогенов и эрозии.
Территориальность
Многим видам животных свойственны
поведенческие адаптации, ограничиваю-
щие их численность в соответствии с до-
ступными ресурсами. Один из таких меха-
низмов - территориальность, характерная,
например, для многих певчих птиц, самцы
которых в гнездовой период «столбят»
определенный участок и своим пением
предупреждают других самцов о непри-
косновенности его границ. Охраняемая
территория должна быть достаточна для
успешного выкармливания выводка. Лег-
ко видеть преимущества территориально-
3. ЭКОСИСТЕМЫ: ПОЧЕМУ ОНИ УСТОЙЧИВЫ? ПОЧЕМУ ИЗМЕНЯЮТСЯ?
101
сти. Если места на всех не хватает, неко-
торые самцы не способны найти и/или
защитить гнездовой участок, поэтому не
участвуют в размножении. Таким обра-
зом, размер популяции уравновешивается
ресурсами среды, необходимыми для ее
питания.
У других животных известны иные
формы территориальности. К примеру,
волки охраняют территорию не индиви-
дуально, а стаей. Если число особей в ней
превысит некоторый уровень, она разде-
лится или из нее будут изгоняться отдель-
ные животные. Если отделившиеся особи
(или их группы) не могут найти собствен-
ную территорию, они уже не участвуют
в размножении, а иногда просто обречены
на голодную смерть.
Изменение экосистем:
сукцессия
Изменение внешних условий воздейст-
вует на некоторые виды неблагоприятно;
они снижают численность, а иногда и во-
все исчезают из экосистемы. Другие виды
могут от этого выигрывать, и их числен-
ность растет. Бывает также, что изменив-
шиеся условия позволят включиться в.
экосистему новым видам. В целом про-
исходит процесс вытеснения одних видов
другими, называемый сукцессией. Сукцес-
сии-естественное явление, хотя часто
обусловлены вмешательством человека.
Они наблюдаются в природе, если в про-
цессе своего развития сообщество изме-
няет среду так, что она становится бла-
гоприятнее для другого сообщества, фор-
мирование которого делает среду еще ме-
нее благоприятной для первого. Так про-
исходит постепенное превращение одних
экосистем в другие. Иногда подобный
процесс включает несколько стадий, веду-
щих к достижению окончательного попу-
ляционного равновесия.
Первичная сукцессия
Первичной сукцессией называется про-
цесс развития и смены экосистем на не
заселенных ранее участках, начинающий-
ся с их колонизации. Классический при-
Рис. 3-13. Мох, растущий на голой скале. Он
колонизирует подобное местообитание, так как
его споры способны задерживаться и про-
растать в мельчайших трещинах на поверх-
ности камня. Мхи выдерживают сильное
нагревание и нехватку воды, впадая в состоя-
ние покоя, а при малейшем увлажнении
возобновляют рост (фото автора)
102
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Рис. 3-14. Первичная сукцессия на голой скале.
А. Мхи формируют слой почвы. Б. Семенные
растения заселяют мохово-почвенный ковер
(фото автора)
мер-постепенное обрастание голой ска-
лы с развитием в конечном итоге на ней
леса. Голый камень малопригоден для
жизни. Семена с трудом находят место,
подходящее для закрепления и прораста-
ния, а если и прорастут, всходы скорее
всего погибнут из-за нехватки воды, воз-
действия ветра и солнца. Однако мхи
могут расти и в таких условиях (рис. 3-13).
Их крошечные репродуктивные клетки-
споры - прорастают в мельчайших трещи-
нах скал; при засухе мхи просто переходят
в неактивное, покоящееся состояние, но не
гибнут. При малейшем увлажнении про-
должается их рост с формированием как
бы ковра на поверхности скалы. Он, как
сито, улавливает частицы породы, прино-
симые ветром или водой. Так постепенно
накапливается почва (рис. 3-14, А). Вместе
с моховым покровом она обеспечивает
место для поселения семенных растений,
причем мох удерживает воду, необходи-
мую для прорастания семян (рис. 3-14, Б).
Крупные растения в свою очередь накап-
ливают и образуют почву, кроша скалу
своими корнями. Наконец, ее слой оказы-
вается достаточным для развития деревьев
и кустарников. Их опадающие листья и
ветви не дают расти мхам и большинству
других мелких видов, начавших сукцес-
сию. Так постепенно на изначально голой
скале идет процесс смены мхов травами
и наконец лесом. Лишенные растительно-
сти выходы горных пород постоянно
образуются на Земле в ходе эрозии почвы,
при извержении вулканов, землетрясениях
и оползнях, поэтому такие первичные сук-
цесии всегда можно наблюдать в природе.
Другой пример - постепенная смена
озерной экосистемы лесом. Когда ручьи
и реки впадают в крупные водоемы, ско-
рость их течения замедляется, перемеши-
вание ослабляется, и частицы почвы, пере-
носимые водой, оседают на дно. Когда
донные отложения оказываются доста-
точно близко от поверхности, в них укоре-
няются кувшинки, рогоз и другие водные
растения. Их корни скрепляют наносы,
густые заросли листьев и стеблей, как
фильтр, улавливают все новые частицы
грунта, а отмершие остатки ускоряют на-
копление озерных отложений, так как раз-
3. ЭКОСИСТЕМЫ: ПОЧЕМУ ОНИ УСТОЙЧИВЫ? ПОЧЕМУ ИЗМЕНЯЮТСЯ?
103
Рис. 3-15. Первичная сукцессия. Пруды и озера
постепенно заполняются отложениями и
зарастают, сливаясь с окружающей сухопутной
экосистемой
104
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
лагаются под водой очень медленно. На-
конец осадка становится столько, что он
обнажается из-под воды и становится
доступным для заселения сухопутными
травами, а затем деревьями и кустарника-
ми. Так наземная экосистема постепенно
сменяет водную. Впоследствии озеро мо-
жет совершенно зарасти, и лес на его
месте будет неотличим от окружающих
лесов (рис. 3-15).
За время геологической истории нашей
планеты озера не раз возникали при от-
ступании ледников, движениях земной ко-
ры или запруживании рек оползнями. Лю-
ди с помощью плотин создали множество
искусственных водохранилищ. Все эти во-
Высокие
злаки/
разно-
травье
Появле-
ние
всходов
сосны
з-ю
Сосняк
ю-зо
Проник-
новение
листвен-
ных
пород
Климак-
совый
листвен-
ный лес
1-3
30-70
70+
А
3. ЭКОСИСТЕМЫ: ПОЧЕМУ ОНИ УСТОЙЧИВЫ? ПОЧЕМУ ИЗМЕНЯЮТСЯ?
105
Рис. 3-16. Вторичная сукцессия. А. Восстанов-
ление леса на заброшенном поле происходит
в несколько стадий. Б. Широколиственные
породы (дубы), растущие под пологом сосен на
востоке Мэриленда, скоро их сменят (фото
автора)
доемы со временем зарастут в процессе
сукцессии.
Вторичная сукцессия
Если поле на месте вырубленного ког-
да-то леса перестать обрабатывать, обыч-
но за несколько стадий здесь вновь сфор-
мируется лесная экосистема, типичная для
данного района. Восстановление экосис-
темы, когда-то уже существовавшей на
данной территории, называют вторичной
сукцессией. Классический ее пример -
превращение заброшенных полей в широ-
колиственные леса на востоке США (рис.
3-16).
Вначале на залежи поселяются травы,
среди которых преобладает росичка кро-
вяная. Этот вид хорошо приспособлен
к колонизации голой почвы. Его семена
прорастают весной, и за лето он быстро
захватывает пространство с помощью
ползучих побегов. Вдобавок росичка
прекрасно переносит засушливые условия.
Однако она легко вытесняется затеняю-
щими ее более высокими видами злаков
и разнотравья, требующими года или
больше для своего развития. Затем в тра-
вяной покров внедряются молодые сосны,
хорошо выдерживающие прямой солнеч-
ный свет и жару открытых местообита-
ний. Они затеняют низкорослые, требую-
щие хорошего освещения травы, поле сме-
няется сосняком. Но под его пологом
всходы сосны уже не могут развиваться:
им тоже не хватает света. Вместо этого
формируется подрост широколиственных
пород, выдерживающий прохладные зате-
ненные условия. В конце концов, когда
сосны отомрут (их продолжительность
жизни 40-100 лет), они сменятся листо-
падным лесом с дубами, кленами, буками,
гикори и другими обычными на востоке
США деревьями. Их всходы нормально
развиваются под родительским пологом,
обеспечивая смену поколений и устойчи-
106
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Рис. 3-17. Коппер-Хилл, штат Теннесси. Лес
здесь погиб из-за загрязнения атмосферы
дымами медеплавильного комбината. Хотя
сейчас воздух чистый, сукцессионное возоб-
новление леса остановилось из-за сильной
почвенной эрозии (фото Службы рыбных
ресурсов и диких животных США)
вость популяций. Сукцессия завершается.
Как для первичной, так и для вторич-
ной сукцессии необходим источник семян
и спор растений, а также животных, спо-
собных заселить местообитание на подхо-
дящей для них стадии. Если его нет, сук-
цессия остановится или пойдет нетипич-
ным путем. Для вторичной сукцессии важ-
но также наличие с самого начала плодо-
родного слоя почвы. Если он уничтожен,
например эрозией, сукцессия может пой-
ти по типу первичной (рис. 3-17).
Климаксовая экосистема
Сукцессия завершается стадией, когда
все виды экосистемы, размножаясь, со-
храняют относительно постоянную чис-
ленность и дальнейшей смены ее состава
не происходит. Такое равновесное состоя-
ние называют климаксом, а экосистему -
климаксовой. В разных абиотических
условиях формируются неодинаковые
климаксовые экосистемы. В сухом и жар-
ком климате это будет пустыня: в жар-
ком, но влажном-дождевой тропический
лес. Основные биомы Земли, описанные
в гл. 1,-климаксовые экосистемы соот-
ветствующих географических областей.
Важно подчеркнуть, что даже такие
системы не абсолютно стабильны; просто
все виды в них достигли состояния равно-
весия друг с другом и со средой. Это
динамическое равновесие подразумевает
непрерывную «настройку» и «перенастрой-
ку», так как и популяции, и условия ме-
няются год от года. Кроме того, в течение
тысячелетий условия не только колеблют-
ся около некоторого среднего значения,
но и постепенно сдвигаются от пего в том
или ином направлении. Это вызывает
изменения в количественном и качествен-
ном составе климаксовой экосистемы,
требует установления нового равновесия.
Например, около 10000 лет назад в эпоху
последнего оледенения на месте нынеш-
них листопадных лесов востока Северной
Америки находилась тундра.
3. ЭКОСИСТЕМЫ: ПОЧЕМУ ОНИ УСТОЙЧИВЫ? ПОЧЕМУ ИЗМЕНЯЮТСЯ?
107
Степень нарушенности
и скорость изменения: сукцессия,
нарушение или гибель
Насколько быстро меняются экосисте-
мы, за считанные годы или за тысячеле-
тия, зависит от степени сдвига их равнове-
сия. При сукцессиях изменения происхо-
дят медленно и постепенно: это более или
менее упорядоченный процесс замещения
одних видов другими, на всех стадиях
которого экосистема достаточно сбалан-
сирована и разнообразна.
Однако возможны и внезапные резкие
изменения, вызывающие популяционный
взрыв некоторых видов за счет гибели
большинства других. В таких случаях го-
ворят не о сукцессии, а об экологическом
нарушении. Оно возможно, например, при
вторжении в экосистему новых, интроду-
цированных видов, как описано выше.
Нарушения возникают и при необдуман-
ном воздействии человека на природу,
например, в результате сброса богатых
биогенами сточных вод в естественные
водоемы, вызывающего бурный рост не-
которых водорослей.
Наконец, изменения могут быть столь
резкими, что практически ни один исход-
ный компонент экосистемы не сохраняет-
ся. Тогда говорят о ее гибели. На освобо-
дившемся месте впоследствии могут посе-
литься другие виды, способные выдер-
жать новые условия. Фактически они на-
чинают новую сукцессию. Экосистемы
гибнут из-за загрязнения среды токсич-
ными отходами, изменения гидрорежима,
вызывающего осушение болот, и многих
других причин.
Важно отметить, что, если не считать
землетрясений, извержений вулканов и
аналогичных катастроф, естественные
изменения экосистем, как правило, проте-
кают постепенно, по типу сукцессий, тог-
да как вмешательство человека часто бы-
вает внезапным и глубоким, приводящим
к нарушениям или гибели экосистем.
Связь с жизнью человека
Итак, один из экологических принци-
пов гласит: размер популяций-результат
динамического равновесия между их био-
тическим потенциалом и сопротивлением
среды. Какое отношение он имеет к нам,
к экосистеме человека?
Популяция первобытных охотников-
собирателей, как и в случае других живот-
ных, контролировалась факторами сопро-
тивления среды. С началом земледелия
существенно ослабилось действие важней-
шего из них-нехватки пищи. Тем не ме-
нее население Земли продолжало расти
очень медленно, периодически сокра-
щаясь из-за эпидемий, например, оспы и
дифтерии, убивавших множество детей и
подростков. С середины XIX в. распрост-
ранение инфекций стали сдерживать бла-
годаря появлению прививок и улучшению
санитарных условий жизни. После ослаб-
ления действия этого. важного фактора
сопротивления среды народонаселение
Земли вступило в стадию взрывообразно-
го роста, продолжающуюся по сей день.
Резкое увеличение численности людей-
результат возросшего пополнения попу-
ляции: гораздо меньше детей стало уми-
рать от болезней. Рождаемость, напротив,
несколько снизилась в связи с распростра-
нением контрацептивов, однако еще недо-
статочно, чтобы сдержать рост народона-
селения (см. гл. 5).
Вообще говоря, человеческая популя-
ция подчиняется тем же законам, что
и любая прочая. Когда сопротивление
среды ослабевает, ее численность взрыво-
образно растет. Но в отличие от других
живых существ мы сами снизили сопро-
тивление среды. Кроме того, воздействуя
на уравновешивающие факторы, касаю-
щиеся нас самих, мы нарушили практиче-
ски все природные балансы.
Как уже говорилось, естественное рав-
новесие между видами зависит от плотно-
сти популяций. При снижении ее сопро-
тивление среды ослабевает. Но в случае
человека такая обратная связь не рабо-
тает: с помощью техники и сельского
хозяйства он может эксплуатировать при-
родные ресурсы вплоть до полного их
истощения, приводя к исчезновению ви-
дов и целых экосистем. В этом смысле мы
подобны интродуцированному виду, не
встречающему естественных врагов.
108
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Вот только некоторые виды человече-
ской деятельности, ведущие к исчезнове-
нию множества видов живых существ:
- полное уничтожение природных эко-
систем ради удовлетворения собственных
потребностей, например сведение лесов
для выращивания сельхозпродукции и
строительства жилья;
- прокладка каналов и запруживание
рек, приводящие к осушению одних и за-
топлению других территорий;
- загрязнение воды и воздуха отхода-
ми; например, кислотные дожди, уничто-
жающие водные и наземные экосистемы,
вызваны выбросами в атмосферу оксидов
серы и азота при сжигании угля;
- преднамеренная и случайная интро-
дукция видов;
- чрезмерное стравливание пастбищ
домашним скотом (рис. 3-18);
- хищническая вырубка лесов ради по-
лучения дров и деловой древесины;
Рис. 3-18. На пастбище слева выпас был
умеренным, а справа - чрезмерным. Он сдвинул
равновесие между популяциями злаков и
других растений. Несъедобные для скота виды
стали доминантами (фото Сельскохозяйствен-
ного департамента США, Служба охраны
почв)
- сброс богатых биогенами сточных
вод в водоемы;
- преднамеренное уничтожение хищ-
ников;
- использование пестицидов с непред-
сказуемыми побочными эффектами;
- чрезмерно интенсивные охота, ры-
боловство, отлов и сбор редких видов
ради получения выгоды или в спортивных
целях.
Все это приводит к сокращению попу-
ляций и вымиранию видов, а тем самым
к снижению разнообразия биосферы. Эко-
система человека крайне проста. Свыше
80% всей производимой им пищи основа-
но на потреблении всего пяти . видов-
пшеницы, риса, кукурузы, сои и сахарного
тростника. Эти и многие другие, менее
важные растения возделываются как мо-
нокультуры, т. е. один вид (или сорт) вы-
ращивается на обширной однородной
территории. Это выгодно экономически,
но не будем забывать, что видовое разно-
образие обеспечивает стабильность эко-
систем.
Мировое земледелие, основанное на
очень малом числе видов-продуцентов,
исключительно нестабильно. Культуры
необходимо постоянно скрещивать с ди-
кими разновидностями для поддержания
3. ЭКОСИСТЕМЫ: ПОЧЕМУ ОНИ УСТОЙЧИВЫ? ПОЧЕМУ ИЗМЕНЯЮТСЯ?
109
их жизнеспособности (см. гл. 17). Даже
в этом случае для сохранения высоких
урожаев приходится ежегодно расходо-
вать миллионы тонн ядохимикатов, унич-
тожая сорняки и вредителей. Подобное
развитие неустойчиво. Крайне необходи-
мо разнообразить набор сельскохозяйст-
венных культур и применять методы био-
логической борьбы с вредителями. Над
этим работают многие биологи, агроно-
мы и другие специалисты (см. гл. 16), но
решение задачи требует времени, причем
добиться нужного результата, не сохра-
нив разнообразия природных экосистем
Земли, невозможно.
Что Вы лично можете сделать?
- Прежде всего важно осознать, что
бесконтрольный рост народонаселения
Земли, ведущий к разрушению природной
среды, истощению ресурсов и исчезно-
вению отдельных видов и целых экосис-
тем,-симптом неустойчивого развития
человечества, так как делает биосферу все
более нестабильной и уязвимой. Необхо-
димо привести нашу собственную популя-
цию в состояние равновесия, контролируя
рождаемость (это подробнее обсуждается
в гл. 5 и 6). В то же время важно бороться
за сохранение биологического разнообра-
зия природных экосистем.
- Необходимо понять, что прихоти
любителей, готовых дорого платить за
экзотические виды рыб, рептилий, млеко-
питающих, растений, за шкуры, бивни,
редкую древесину, ведут к избыточной
эксплуатации диких популяций и вымира-
нию видов. Не покупайте подобных това-
ров, осуждайте их приобретение другими
людьми.
- Поддерживайте организации, борю-
щиеся за сохранение разнообразия жизни
на планете, такие как Международный
фонд любителей диких животных, Фонд
сохранения природных ресурсов, Фонд за-
щиты окружающей среды и Одюбонов-
ское общество. Существуют и нуждаются
в Вашей поддержке также многочислен-
ные местные организации, работающие
над спасением конкретных природных
объектов в своем регионе (см. гл. 17 и 22).
- Поддерживайте разработку приро-
доохранных законодательных актов. В
1988 г. был принят первый закон, направ-
ленный на сохранение и восстановление
разнообразия природы США,-Националь-
ный акт об охране биологического разно-
образия и изучении окружающей среды.
Но это только начало. Члены Конгресса,
стремящиеся к расширению и углублению
природоохранных программ, должны по-
стоянно ощущать поддержку своих изби-
рателей.
• В гл. 4 мы обсудим биологические
основы видового разнообразия и важ-
ность их изучения.
Пример
Вымирание зубчатого каштана
До начала XX в. эта древесная порода
доминировала в листопадных лесах во-
стока США. Каштаны составляли в них
до четверти всех деревьев, причем диа-
метр ствола их зрелых экземпляров до-
стигал 75 см, а высота-30 м. Эта порода
высоко ценилась за легкую, крепкую,
устойчивую к гниению прямослойную
древесину, дающую отличные пиломате-
риалы и дрова, за декоративные качества
высокого тенистого дерева и за обилие
вкусных плодов, служивших важным
источником пищи как для лесных живот-
ных, так и для человека. Принято было
говорить, что многие жители горных
районов живут только каштаном, даю-
щим и топливо, и стройматериал, и пищу.
В 1904 г. лесовод У. Меркел обратил
внимание на гибель некоторых каштанов
в парке Нью-Йоркского зоологического
общества в Бронксе. Кора их стволов
была покрыта трещинами или язвами,
откуда разлетались оранжевые споры.
Это заболевание, как быстро выяснилось,
вызывает гриб Endothia parasitica, обыч-
ный паразит азиатских видов каштана, не
отмечавшийся ранее в Северной Америке.
Очевидно, он был случайно завезен вме-
сте с недавно высаженным в парке кашта-
ном мягчайшим из Китая. Споры гриба
попадают в трещины коры и прорастают
между ней и древесиной, образуя мице-
лий, разрушающий растущие ткани дере-
ва и прерывающий поток питательных
веществ. Развивается характерная карти-
по
Ч. 1. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Каштан зубчатый. Один из видов-доминантов
листопадных лесов востока США практически
вымер в результате распространения интро-
дуцированного из Старого Света гриба,
возбудителя рака коры (фото Национального
архива, № 95-6-250527). На врезке показан
плод зубчатого каштана (фото Службы лесов
США)
на заболевания, получившего название
рак коры каштана. Спороносные части
гриба прорывают кору, образуя в ней
язвы, и цикл повторяется.
Азиатские каштаны достаточно устой-
чивы к этому заболеванию, поэтому, ча-
сто инфицируясь, они редко серьезно пов-
реждаются. К сожалению, американский
зубчатый каштан, никогда ранее не стал-
кивавшийся с его возбудителем, оказался
неспособен противостоять ему. Гриб пол-
ностью убивал деревья и быстро заражал
новые. Все попытки борьбы с паразитом
оказались тщетными. С 1904 до примерно
1950 г. заболевание распространилось по
всему ареалу каштана от штата Мэн до
Алабамы, оставляя на своем пути лишь
его мертвые стволы. Таков риск наруше-
ния хрупких равновесий, поддерживаю-
щих существование всех экосистем.
Место погибших каштанов заняли
другие породы, главным образом дубы,
так что большинство людей сейчас не
замечает нанесенного ущерба. Тем не ме-
нее сохранение зубчатого каштана позво-
лило бы получать на многие миллиарды
долларов ценной древесины при большем
разнообразии лесных животных. Вымира-
ние этого вида считается величайшей бо-
танической катастрофой в истории чело-
вечества, и сейчас предпринимаются по-
пытки восстановить уничтоженную попу-
ляцию.
Корневые системы многих мертвых
деревьев продолжали какое-то время да-
вать отпрыски, некоторые из которых
сохранялись достаточно долго, производя
немного плодов, прежде чем погибнуть от
рака. Различные многолетние программы
стимулировали людей собирать и выса-
живать эти плоды в надежде получить
устойчивые к заболеванию экземпляры.
Однако таковых не обнаружилось, а за
пятьдесят лет отмерли и корневые систе-
мы деревьев. Ныне от приблизительно
3,5 млрд, существовавших ранее экземпля-
3. ЭКОСИСТЕМЫ: ПОЧЕМУ ОНИ УСТОЙЧИВЫ? ПОЧЕМУ ИЗМЕНЯЮТСЯ?111
ров осталось меньше сотни плодонося-
щих каштанов.
Возможно, другие подходы окажутся
успешнее. Предполагалось, что скрещива-
ние зубчатого с устойчивым к раку коры,
но низкорослым и не дающим ценной
древесины мягчайшим каштаном позво-
лит вывести устойчивый гибрид, внешне
близкий к американскому виду. К сожале-
нию, сначала получились лишь невысокие
деревца с низкой устойчивостью. Однако
после многократных скрещиваний, отбо-
ра и повторных скрещиваний их потомст-
ва удалось вывести несколько деревьев
с большинством ценных признаков зубча-
того каштана и достаточной устойчи-
востью к раку коры. Был также найден
«гиповирулентный», т. е. менее агрессив-
ный, штамм гриба, видимо пораженный
каким-то вирусом. Если больные раком
деревья заразить этим гиповирулентным
штаммом, вирус инфицирует первона-
чального возбудителя, а деревья выздо-
равливают. Главной проблемой остается
распространение гиповирулентного штам-
ма в природных популяциях каштана.
Специалисты, предложившие эти спо-
собы борьбы с болезнью, теперь спешат
добиться успеха в их применении, прежде
чем последние экземпляры некогда харак-
тернейшего американского дерева исчез-
нут с лица земли. Приведенный пример
наглядно показывает, как трудно восста-
новить нарушенное природное равнове-
сие, несмотря на все наши знания и тех-
нологический прогресс.
4
Экосистемы: адаптация и изменение
или вымирание?
Раздел
I. КАК ВИДЫ ИЗМЕНЯЮТСЯ И АДАПТИ-
РУЮТСЯ И ЧТО ИМ МЕШАЕТ ЭТО ДЕ-
Учебные вопросы
ЛАТЬ ............................113
А. Некоторые основы генетики . . .113
1. Признаки и гены............113
2. Наследственная изменчивость 114
а. Половое размножение . . .114
б. Мутации................116
Б. Генофонды и их изменение . . . .116
1. Изменение путем искусственного от-
бора ........................117
2. Изменение путем естественного отбо-
ра ................................119
а. Адаптация к нише и местообита-
нию ......................120
б. Видообразование...........124
В. Развитие экосистем.............126
Г. Эволюционная сукцессия . . . .129
1. Дайте определения вида, признаков, генов,
наследуемых признаков, генотипа, наследст-
венности. Как приобретаются наследуемые
признаки?
2. Сколько в генотипе организма наборов ге-
нов? Идентичны ли они? Опишите их пове-
дение в процессе полового размножения.
Как оно сказывается на генетической из-
менчивости потомков?
3. Что такое мутации! Специфичны они или
случайны? Как мутации связаны с наследст-
венной изменчивостью?
4. Что такое генофонд вида?
5. Сравните количества зачатых, выживаю-
щих и размножающихся особей. Как гено-
фонд и наследуемые признаки изменяются
в процессе искусственного отбора? Сколько
путей их изменения?
6. Равны ли шансы особей на размножение
в природе? Почему некоторые наследуемые
признаки распространяются шире, чем дру-
гие? Что такое естественный отбор, выжи-
вание наиболее приспособленных1!
7. Дайте определение ниши, местообитания.
Объясните, как естественный отбор ведет
к адаптации и специализации к особым
нишам и местообитаниям.
8. Как один вид дает начало двум или не-
скольким видам? Что такое видообразова-
ние'!
9. Объясните, как естественный отбор одно-
временно действует на все организмы в
экосистеме. Как устанавливается в ней рав-
новесие? Как влияют исходные виды на
развитие экосистемы? Сформулируйте со-
ответствующий принцип.
10. В ходе естественного отбора виды адапти-
руются к существующим или к будущим
условиям? Объясните. Назовите и опишите
три возможности для видов при изменении
условий существования. Что такое эволю-
ционная сукцессия? Приведите ее доказа-
тельства.
4. ЭКОСИСТЕМЫ: АДАПТАЦИЯ И ИЗМЕНЕНИЕ ИЛИ ВЫМИРАНИЕ?
113
Д. Границы изменений: меняться или
нет?..........................130
II. СВЯЗЬ С ЖИЗНЬЮ ЧЕЛОВЕКА . .132
Пример. Семена для замены............134
11. Сравните признаки, увеличивающие веро-
ятность выживания вида, со снижающими
его шансы. Как влияют степень и скорость
изменения на экосистемы?
12. Как влияет человек на степень и скорость
изменений окружающей среды? У каких
видов больше шансов к ним приспособить-
ся? Вымереть?
13. Приспосабливается ли к изменениям среды
человеческий организм? Сельское хозяйст-
во? Объясните. Как повлияют изменение
окружающих условий и уничтожение дикой
природы на человека? Почему сейчас в эво-
люции человека важнейшая поворотная
точка? Пофантазируйте о будущей эволю-
ции человека на Земле.
Из гл. 3 мы узнали, что устойчивое
равновесие между видами существует бла-
годаря их адаптации друг к другу и к
окружающей среде. Чтобы сохранить
биосферу, нужно поддерживать это адап-
тивное равновесие и по возможности вво-
дить его в нашу собственную человече-
скую экосистему. Чтобы оценить слож-
ность проблемы, необходимо понять, как
виды приспосабливаются к условиям и ка-
ковы границы их возможностей.
Возможно, Вы помните, что созданная
Чарлзом Дарвином в 1859 г. теория эво-
люции уже включала в себя понятие адап-
тации видов. Однако мы подойдем к нему
с точки зрения современной генетики, что
позволит более детально разобраться в
сущности явления и выяснить ряд допол-
нительных принципов.
Как виды изменяются
и адаптируются
и что им мешает это делать
Некоторые основы генетики
Признаки и гены
Одна из важнейших особенностей каж-
дого вида-изменчивость составляющих
его особей. Человек не исключение из
этого правила. Мы отличаемся друг от
друга по росту, телосложению, цвету ко-
жи, проявляем разные способности неза-
висимо от воспитания и образования. Та-
кая же внутривидовая изменчивость при-
суща кроликам, слонам, мухам, дубам
и всем прочим организмам. То, что все
мухи кажутся нам одинаковыми, свиде-
тельствует лишь об отсутствии наблюда-
тельности. Стоит присмотреться к этим
насекомым, и без труда обнаружатся раз-
личия в их размерах, окраске и любых
других признаках, на которые мы захотим
обратить внимание.
Термином признак обозначают любую
особенность организма как в его внешнем
облике, так и во внутреннем строении.
Устойчивость к болезням, низким и высо-
ким температурам, способность бегать,
плавать и т.п.-все это признаки. Они
включают и особенности инстинктивного
поведения-строительство ловчей сети
пауком, перелет птиц на зиму в южные
страны, пугливость или агрессивность жи-
вотного. Разумеется, многие признаки
можно изменить или развить путем обу-
чения или тренировки, однако главное их
свойство-генетическая, или наследствен-
ная, основа. Это значит, что каждый орга-
низм появляется на свет с набором опре-
деленных признаков. На какой бы признак
Вы ни обратили внимание, он всегда неоди-
наково проявляется у разных особей одно-
го вида.
Исследования последних 40 лет пока-
зали, что наследственная основа призна-
114
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
ков любого вида закодирована в молеку-
лах ДНК, присутствующих в каждой клет-
ке организма. Эти молекулы образуют
гены организма (рис. 4-1). Их совокуп-
ность называют его генотипом.
Наследственная изменчивость
Половое размножение. Генотип прак-
тически всех организмов, включая челове-
ка, представлен не одним, а двумя набо-
рами генов. Он напоминает обувь, храня-
щуюся у нас в шкафу: среди нее можно
выделить наборы «правых» и «левых» ту-
фель. Конечно, гены не бывают «правы-
ми» или «левыми», но они в парах могут
быть разными или одинаковыми. Напри-
мер, один ген пары может соответство-
вать группе крови А, второй-группе О,
а иногда оба относятся к одной и той же
группе. У другого человека будут гены
групп крови А и В. Таким образом, у каж-
дой особи может быть только два гена
данного признака, но в крупной популя-
Начало
Конец
Конец
НИТИ1
Начало
нити 2
А Молекулярная модель ДНК
б. Ступенчатая модель днк
4, ЭКОСИСТЕМЫ: АДАПТАЦИЯ И ИЗМЕНЕНИЕ ИЛИ ВЫМИРАНИЕ?
115
ции обычно существует множество их «ва-
риантов», или аллелей. То же можно ска-
зать о многих тысячах генов, составляю-
щих генотип каждого организма. Следо-
вательно, его признаки отражают слож-
ные взаимодействия всех его генов.
Рост тела сопровождается делением
клеток, в ходе которого каждая новая
клетка получает точную копию обоих на-
боров генов. Однако при образовании
сперматозоидов и яйцеклеток процесс де-
ления происходит иначе, и в них попадает
только по одному набору. Так как при
этом разделение на «левые» и «правые»
гены носит случайный характер, яйцеклет-
ки матери (и сперматозоиды отца) будут
отличаться друг от друга сочетанием эле-
ментов различных пар.
Когда сперматозоид проникает в яйце-
клетку (этот процесс называется оплодо-
творением), происходит объединение их
генных наборов, и в новых организмах
они вновь становятся двойными. Посколь-
ку сперматозоид и яйцеклетка несли слу-
чайные сочетания «левых» и «правых»
родительских генов, в результате каждого
оплодотворения возникают новые их
комбинации, отличные от родительских
(рис. 4-2). Таким образом, все потомки,
а следовательно, и все члены популяции
(за исключением идентичных близнецов)
отличаются друг от друга своими геноти-
пами. Эта генетическая изменчивость и
Генотипы, образующиеся
после оплодотворения
яйцеклеток спермиями
Рис. 4-1. Структура ДНК (дезоксирибонуклеи-
новой кислоты), генетического материала всех
организмов. А. Модель, показывающая
реальное расположение атомов. Б. Упрощен-
ная модель, отражающая основные особен-
ности структуры. Последовательность пар
азотистых оснований, образующих как
бы ступени винтовой лестницы, кодирует
структуру специфических белков, определяю-
щих строение и функции организма. Один
ген обычно содержит несколько сот пар
азотистых оснований. При делении клетки
связи между азотистыми основаниями разры-
ваются, молекула ДНК как бы «расстегива-
ется», и каждая ее нить служит матрицей для
синтеза парной себе нити. В результате
образуются две идентичные молекулы
(F. Martini, Fundamentals of Anatomy and
Physiology, Englewood Cliffs, NJ.: Prentice Hall,
1989)
Рис. 4-2. Наследственная изменчивость-
результат полового размножения. У взрослых
особей двойной набор генов, представленных
на рисунке S- и I-образными фигурками.
Разными оттенками обозначены разные
«варианты», или аллели, отдельных генов. При
образовании яйцеклеток и спермиев процесс
клеточного деления происходит таким обра-
зом, что они получают только один набор
генов, в котором случайно сочетаются «левые»
и «правые» элементы каждой пары. При
оплодотворении любая яйцеклетка может
слиться с любым сперматозоидом, за счет чего
вновь восстанавливается двойной набор генов.
Обратите внимание на количество различных
комбинаций при наличии всего двух генов,
каждый из которых представлен только тремя
аллелями. Сколько комбинаций получится
в следующем поколении? (Ответ: 81.) Теперь
представьте, что у большинства организмов
порядка миллиона генов. Есть ли предел
наследственной изменчивости?
116
Ч. 1. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
ДНК
Апг
т-
ц-
А-
Т -
Г-
А-
Г -
ц-
А -
Г--
Нормальная
репликация
А -г
т-
U -
А -
Т-
Г -
А -
Г -
Ц-
А-
Г--
АТ1
т -
г -
А-
Г-
Ц-
А-
г -L
Делеция
Типы мутаций
Вставка
Рис. 4-3. Мутации. Обычно при делении клетки
молекула ДНК точно копируется (реплициру-
ется), так что дочерние клетки получают
абсолютно одинаковые материнские гены.
Однако иногда под воздействием радиации или
иных факторов они меняются. Все изменения
ДНК называются мутациями. Четыре основ-
ных их типа, показанных на рисунке, могут
затрагивать любое количество пар азотистых
оснований. Мутации дают новые «варианты»,
или аллели, генов, в которых они происходят.
Конечно, в большинстве случаев их функциони-
рование от этого ухудшается, и мутации
считаются вредными
лежит в основе наследственной изменчи-
вости признаков. Будучи врожденной, она
отличается от различий, возникающих в
результате обучения, тренировки или, ска-
жем, травмы. Обучение и тренировка мо-
гут способствовать развитию какого-либо
врожденного признака, но не меняют его
генетической основы.
Мутации. Еще одним источником на-
следственной изменчивости служат мута-
ции. Они представляют собой случайные
изменения ДНК и могут затрагивать лю-
бой ген или группу генов (рис. 4-3). Мута-
ции возникают спонтанно, т. е. без види-
мой причины. Хотя они сравнительно
редки, именно таким путем возникли и
продолжают возникать различные генные
аллели (например, определяющие голу-
бой или карий цвет глаз). Сейчас извест-
но, что частоту мутаций можно значи-
тельно повысить, воздействуя на орга-
низм излучением высокой энергии (рент-
геновским, радиоактивным) и различны-
ми химическими соединениями, многие из
которых используются в промышленно-
сти или присутствуют в отходах произ-
водства. К сожалению, такие индуциро-
ванные мутации нередко приводят к не-
контролируемому делению клеток и раз-
витию раковых опухолей, или, если затра-
гиваются яйцеклетки и сперматозоиды,
к появлению в следующем поколении осо-
бей с тяжелыми врожденными дефектами.
В целом благодаря мутациям, а также
расхождению и рекомбинации генов в
процессе полового размножения наследст-
венная изменчивость организмов неизбеж-
на. Иная картина наблюдается при клони-
ровании, т. е. бесполом воспроизведении
особей. Примером служит размножение
растений черенками. В этом случае новый
организм появляется в результате просто-
го клеточного деления, сопровождающе-
гося точным копированием родительской
ДНК. Поэтому все особи клона (за исклю-
чением мутантов) генетически идентичны.
Генофонды и их изменение
Итак, у каждой особи два полных
набора генов, а следовательно, может
быть два различных аллеля любого гена.
При этом у разных особей встречаются
разные аллели одного и того же гена.
Таким образом, в крупной популяции мо-
4. ЭКОСИСТЕМЫ: АДАПТАЦИЯ И ИЗМЕНЕНИЕ ИЛИ ВЫМИРАНИЕ?
117
Рис. 4-4. Новые аллели, появляющиеся в
результате мутаций, могут либо повышать,
либо понижать выживаемость. Новый аллель,
способствующий выживанию особи (в данном
случае-делающий ее менее заметной для
хищной птицы) и ее размножению, будет
распространяться в популяции. И напротив,
если он понижает выживаемость особи (делает
ее более заметной), произойдет его быстрое
отсеивание из генофонда
жет быть множество аллелей многих ты-
сяч генов, входящих в генотипы состав-
ляющих ее организмов.
Предположим, что удалось получить
образцы генов каждой особи популяции
и сложить их вместе. Эту совокупность
называют популяционным генофондом. А
все генные аллели всех популяций данно-
го вида составляют его видовой гено-
фонд. Некоторые его аллели широко рас-
пространены, и их копии можно встретить
почти у каждого представителя вида.
Другие, напротив, обнаруживаются лишь
у нескольких особей. При размножении
особь передает копии своих аллелей по-
томству; если же она не размножается,
эти аллели исчезнут с ее смертью. Таким
образом, генофонд вида непостоянен и
может меняться от поколения к поколе-
нию. Рассмотрим такой пример. Пред-
положим, что первоначально генофонд
включает равное число аллелей «А» и «а»,
двух вариантов одного гена. Если особи
с двумя аллелями «А» оставят больше
потомства, чем их сородичи с двумя «а»,
аллелей «А» в популяции станет больше,
чем «а». Точно так же, если в результате
мутации возникает новый аллель и обла-
дающие им особи размножаются успеш-
нее других представителей вида, этот ген-
ный вариант все больше распространяется
в популяции. С другой стороны, любой
новый аллель, препятствующий размно-
жению организма, исчезнет из популя-
ции вместе с гибелью несущей его особи
(рис. 4-4).
Изменение путем искусственного
отбора
Генофонд можно изменить целенаправ-
ленно с помощью искусственного отбора.
Именно таким путем из диких предков
были выведены современные породы до-
машних животных и сорта культурных
растений. Селекционеры сначала выби-
рают признаки, которые они хотели бы
развить у данного вида. Например, жела-
тельно вывести охотничью собаку с ко-
роткими ногами, способную залезать в
норы сусликов. Среди существующих со-
бак отбирают особей, у которых даннный
признак (короткие ноги) выражен сильнее,
чем у других, и получают оз них потомст-
во. Дети обычно похожи на родителей,
причем у некоторых потомков нужный
признак может проявляться даже сильнее.
Именно их отбирают для получения сле-
дующего поколения. Этот процесс, назы-
ваемый искусственным отбором, повто-
ряют снова и снова до тех пор, пока не
118
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Рис. 4-5. Выведение коротконогих собак.
Когда в качестве родителей для следующего
поколения отбирают собак с самыми корот-
кими на данный момент конечностями, в ряду
поколений они будут становиться все короче
и короче
Рис. 4-6. Результаты искусственного отбора
голубей. Дикий европейский сизый голубь
(вверху) считается предком всех показанных на
рисунке пород (W. W. Levi, The Pigeon, Sumter,
S. C.: Levi Publishing Co., 1957)
4. ЭКОСИСТЕМЫ: АДАПТАЦИЯ И ИЗМЕНЕНИЕ ИЛИ ВЫМИРАНИЕ?
119
будет достигнут желаемый результат; рис.
4-5 иллюстрирует ход событий на приме-
ре выведения таксы.
Селекционеры ведут искусственный
отбор по признакам (скажем, по длине
ног). Но признаки-это лишь отражение
генотипа; значит, в действительности про-
исходят отбор и размножение генных
аллелей, определяющих приземистость
ног, и отсев аллелей, связанных с проти-
воположным признаком. Чтобы убедить-
ся в изменении генофонда, достаточно
с помощью специальных методов срав-
нить ДНК исходной популяции и выве-
денной породы.
Очевидно, в ходе искусственного отбо-
ра исходный генофонд можно изменять
в самых различных направлениях в зави-
симости от предпочитаемых признаков.
Таким образом, у всех пород собак от
датского дога до чиуауа один дикий пре-
док. Это же относится ко множеству по-
род других животных и сортов растений
(рис. 4-6).
Изменить генофонд можно и путем
скрещивания близкородственных видов
(неблизкородственные не дают потомст-
ва). Этот метод называется гибридиза-
цией, а получаемые потомки-гибридами.
Они обладают случайным сочетанием ге-
нов, половина из которых получена от
отца, а другая половина-от матери. Что-
бы добиться нужного набора генов (при-
знаков), приходится снова вести искусст-
венный отбор. Например, можно скре-
стить культурный сорт пшеницы с ее ди-
ким сородичем, стремясь повысить устой-
чивость первой к заболеваниям. Однако
при этом у потомства нередко проявля-
ются и нежелательные признаки, напри-
мер пониженная урожайность, которые
необходимо отсеять в ходе дальнейшей
селекции.
За последние годы разработана техно-
логия, позволяющая получать специфиче-
ские гены (отрезки ДНК) одного вида
и вводить их другому непосредственно,
без скрещивания. Это дает огромные пре-
имущества, так как сокращает время, не-
обходимое для отбора нужного признака
и позволяет гибридизировать любые, не
только близкородственные виды. Однако
описанная технология, названная генной
инженерией, вызывает споры, поскольку
предсказать конечные результаты такого
радикального вмешательства в генофон-
ды живых существ невозможно.
Изменение путем естественного
отбора
В природе на популяции также непре-
рывно действует отбор. Как уже отмеча-
лось в гл. 3, каждая популяция отражает
равновесие между ее биотическим потен-
циалом, способствующим росту числен-
ности, и сопротивлением среды, ограни-
чивающим воспроизведение организмов.
Главная особенность заключается в том,
что скорость размножения каждого вида
(рождения детей, откладки яиц, созрева-
ния семян) «избыточна», однако популя-
ционный взрыв сдерживается высокой
смертностью на стадии пополнения. Боль-
шинство особей не доживают до половоз-
релого состояния и уничтожаются хищни-
ками, болезнями, гибнут от недостатка
пищи или воды, воздействия других фак-
торов сопротивления среды.
Интересно проиллюстрировать это
цифрами. Возьмем популяцию, состоя-
щую из 100 особей (50 пар самцов и са-
мок). Представим, что ее численность не
меняется. Тогда 100 особей должны оста-
вить 100 потомков, ни больше, ни мень-
ше. Если это, скажем, популяции рыб,
каждая из 50 самок даст 20 000 оплодотво-
ренных икринок, а общее число потомков
составит 1 млн. (50 х 20000 = 1000000).
Нетрудно подсчитать, что, если 100 из них
достигнут половой зрелости, выживае-
мость составит всего 1 особь из 10000.
Даже животные с очень низкой скоростью
размножения способны в течение жизни
произвести 10-20 потомков; значит, чис-
ленность популяции останется на постоян-
ном уровне при средней выживаемости
1/5-1/10. Только во время популяцион-
ных взрывов доля выживающих особей
повышается, но такие периоды продол-
жаются недолго и охватывают лишь не-
сколько поколений-сопротивление среды
снижает выживаемость до прежнего уров-
ня.
120
Ч. I, ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Таким образом, в природе каждое по-
коление любого вида подвергается отбору
на выживаемость и воспроизведение. Осо-
би, которые выживают и размножаются,
передают свои аллели следующему поко-
лению, а аллели тех, что погибли, не
оставив потомства, отсеиваются из гено-
фонда. Таким образом, генофонд каждого
вида испытывает действие естественного
отбора. Благодаря ему в популяциях все
шире распространяются аллели призна-
ков, способствующих выживанию и вос-
произведению особей. В то же время ге-
ны, менее эффективные в этом смысле,
будут становиться все более редкими, так
как несущие их особи оставят меньше
потомства.
Поэтому неудивительно, что практиче-
ски все признаки организмов в той или
иной мере служат выживанию и воспроиз-
ведению вида. Их можно сгруппировать
следующим образом:
1) адаптации к климатическим и дру-
гим абиотическим факторам;
2) адаптации к добыванию пищи и во-
ды (у растений);
3) адаптации, направленные на защиту
от хищников и устойчивость к забо-
леваниям и паразитам;
4) адаптации, обеспечивавшие поиск
и привлечение партнеров у живот-
ных или опыление и созревание се-
мян у растений;
5) адаптации к миграциям у животных
и распространению семян у расте-
ний.
Решающий вопрос для каждого при-
знака: служит ли он выживанию и вос-
произведению организма? Если да, то о
какой бы особенности ни шла речь, она
будет развиваться и усиливаться под дей-
ствием естественного отбора. Именно по-
этому одинаковые функции у разных
организмов могут осуществляться с по-
мощью самых различных приспособлений.
Например, способность быстро бегать,
летать, закапываться в грунт или такие
признаки, как иглы, шипы, неприятные
запах и вкус, развивавшиеся у разных
видов, выполняют одну функцию - защи-
щают от хищников (рис. 4-7). Очень по-
учительно выбрать какой-нибудь вид-
растение, животное, гриб или бактерию-
и, рассмотрев его отличительные призна-
ки, попытаться понять, как каждый из них
способствует выживанию, участвуя в осу-
ществлении жизненно важных функций.
Вы, наверно, заметили, что «выжива-
ние и воспроизведение» при естественном
отборе неразрывно связаны. Ни один орга-
низм не может оставить потомства, если
не выживет. Тем не менее некоторые осо-
би доживают до преклонного возраста, не
размножаясь. Значит, их гены, какими бы
полезными для выживания они ни были,
отсеются из генофонда точно так же, как
и при гибели особи на ранних стадиях ее
развития. Только в процессе размножения
они передаются следующим поколениям;
одного выживания для этого недостаточ-
но. Более того, генофонд следующего по-
коления прямо зависит от количества по-
томков каждой родительской особи.
Адаптация к нише и местообитанию.
Признаки, способствующие выживанию
организма, постепенно усиливаются пол
действием естественного отбора, пока не
достигается максимальная приспособлен-
ность к существующим условиям. Таким
образом, в ходе отбора виды изменяются
и все лучше адаптируются к своим место-
обитаниям и экологическим нишам. На-
пример, у муравьедов повышается при-
способленность к питанию муравьями, у
жирафов-к поеданию листьев с вершин
деревьев и т.д.
Можно ожидать, что с повышением
приспособленности организмов к место-
обитаниям и нишам скорость их измене-
ния будет понижаться. Так, скунсы в ходе
естественного отбора приобрели способ-
ность отпугивать хищников неприятным
запахом. Если он эффективно защищает
их от всех хищников, давление отбора,
усиливающее эту особенность, должно
прекратиться. Когда предки жирафов на-
чали питаться листьями древесных крон,
отбор благоприятствовал выживанию
особей, способных дотянуться до все бо-
лее высоких веток, пока вершины всех
деревьев не стали доступными для этих
животных. После этого отбор на удлине-
ние шеи прекратился и в действие всту-
пил отбор по другим признакам, так как
ПРИМЕРЫ АДАПТАЦИЙ
РАСТЕНИЯ
Приспосовле-
ния к абиоти-
ческим фак-
торам
(холоду)
ЖИВОТНЫЕ
Опадение листвы Холодостойкость
Луковицы
Питание
Защита от
поедания
Покрови-
тельствен-
ная окраска
Привлечение
полового
партнера или
опылителей
Миграция и
распростра-
нение семян
Цепкие крючки
Хохолок или крылья
для переноса ветром
Рис. 4-7. Примеры адаптаций. Каждый вид
можно считать комплексом адаптаций, поз-
воляющих особям (/) переносить действие
абиотических факторов; (2) добывать пищу
и воду (животные) или же биогены, воду
и энергию (растения); (3) избегать встречи
с врагами или защищаться от них; (4) находить
и привлекать половых партнеров и спариваться
с ними (животные) или же опылять цветки
и давать семена или споры (растения); (5)
мигрировать или распространять семена и
споры. Эти функции могут выполнять самые
различные структуры
Давление отбора - движущая сила изменений
Створ высоких животных с длинной шеей
Прекращение отвора в
этом направлении
Выживание и
размможе-
ние
Изменчивость
Выживанием
размноже-
ние
Изменчивость
Выживанием
размноже-
ние
Изменчивость
Гмведь от
голода
Гибель от
голода
Гибсльот
Ряд поколений
Рис. 4-8. Давление отбора. Пока более высокое
животное получает больше пищи, чем другие,
т. е. имеет больше шансов выжить, существует
давление отбора, ведущего к увеличению
среднего роста особей. Как только более
длинная шея перестанет давать дополнитель-
ные преимущества, давление отбора и дальней-
шие изменения прекратятся. То же самое
можно сказать о любых признаках растений
и животных
Рис. 4-9. А. Изменения факторов внешней
среды могут вызвать гибель большинства
особей популяции, адаптированной к предыду-
щим условиям существования. Однако носи-
тели аллелей, позволяющих выжить и размно-
житься в новых условиях (Б), вновь образуют
крупную популяцию. Ее признаки (В) будут не
совсем такими, как у прежней
1,0м'
' о,бм
Eohippus
[!;!-*Mesohippus
Современность
Плейстоцен
(начало:
(1млн. лет назад)
Плиоцен
(начало:
Юмлн.лет назад]
ЗОмлн
Олигоцен
(начало:
(40 млн. лет назад)
Эоцен
(начало:
60 млн.лет назад)
Современная
лошадь
(Equus)
Pliohip-
pus
Высота
в холке
До После
износа износа
2 З4
Дентин Эмаль
2 ®45
Передняя
конечность
Цемент
Коренные
зувы
Рис. 4-10. Эволюция лошади. Ее предок
Eohippus обитал во влажных лесах и питался
нежными почками и побегами. По мере того
как климат становился суше, леса уступали
место степям - экосистеме, благоприятствую-
щей существованию крупных животных с силь-
ными конечностями, способных убежать
от хищника и преодолеть большие расстояния
между богатыми пастбищами и источниками
воды. У них должны быть мощные зубы
для пережевывания жесткой травы. Ископае-
мые остатки показывают, как постепенно
развивались эти адаптации, превращающие
Eohippus в современную лошадь (G. deBeer,
Atlas of Evolution, p. 49, New York: Thomas
Nelson, Inc., 1964)
124
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Рис. 4-11. Адаптации к различным климати-
ческим условиям. Нивяник (А) и полевая
горчица (Ь*)-обычные высокорослые полевые
сорняки в зонах с влажным умеренным
климатом. В альпийской тундре (В) произрас-
тают близкородственные им виды, выжившие
здесь, несмотря на сильные ветры и холода,
благодаря похожим на подушки мха призе-
мистым побегам (Г). Можно предполагать,
что последние произошли от первых в резуль-
тате естественного отбора и выживания
наиболее приспособленных в суровых альпий-
ских условиях (фото автора)
при чрезмерной ее длине возникают опре-
деленные трудности (например, когда жи-
раф наклоняется, чтобы напиться, между
его головой и телом следует отрегулиро-
вать кровообращение). То же можно ска-
зать и о всех прочих признаках. У вида,
хорошо приспособленного к экологиче-
ской нише и местообитанию, естествен-
ный отбор лишь поддерживает достигну-
тое состояние, так как изменение призна-
ков способно теперь понизить выживае-
мость (рис. 4-8).
Видообразование. Однако условия окру-
жающей среды не остаются неизменными.
Могут меняться биотические или абиоти-
ческие факторы, происходят миграции по-
пуляций или распространение их на тер-
ритории с иными условиями. Если при
этом хотя бы один фактор окажется за
пределами устойчивости особей, они по-
гибнут. Но если хотя бы несколько из них
останутся в живых, отбор быстро подхва-
тит их аллели, способствовавшие выжива-
нию в новых условиях (рис. 4-9). С появле-
нием в ходе мутаций и распространением
новых аллелей, обеспечивающих все боль-
шую адаптацию организмов к изменив-
шейся среде, популяция может изменить-
ся настолько, что можно будет говорить
о возникновении нового вида, отличного
от исходного. Этот процесс называется
видообразованием. Классический пример-
развитие лошади, показанное на рис. 4-10.
Существуют бесчисленные примеры
4. ЭКОСИСТЕМЫ: АДАПТАЦИЯ И ИЗМЕНЕНИЕ ИЛИ ВЫМИРАНИЕ?
125
Рис. 4-12. Процесс видообразования. Показан-
ные на рисунке растения пока еще относятся
к одному виду, поскольку способны скрещи-
ваться друг с другом. Но факторы внешней
среды явно способствуют развитию в разных
районах особых разновидностей. Со временем
через тысячи поколений высокогорная и
равнинная разновидности могут стать разными
видами (J. Clausen, D. Keck, W. Hiesey, Carnegie
Institute of Washington Publication No. 581,
Washington, D. C., 1948)
изменения и образования видов в приро-
де. Например, на альпийских лугах, на-
много выше границы произрастания де-
ревьев, практически все растения низко-
рослые, формирующие густые подушки
наподобие мхов. Однако цветки их очень
похожи на те, что свойственны высоким
видам, обитающим значительно ниже
(рис. 4-11). Очевидно, что по мере распро-
странения растений в горы снегопады
и кристаллики льда, гонимые сильными
ветрами, повреждали и губили высокорос-
лые экземпляры. В этих условиях выжили
и размножились только растения с алле-
лями, определяющими густые приземи-
стые побеги. Через много поколений этот
процесс привел к возникновению особой,
напоминающей мох, жизненной формы.
Интересно, что в некоторых местах мож-
но встретить все его промежуточные ста-
дии (рис. 4-12), но в большинстве случаев
переходные популяции вымерли и оста-
лись только родственные, но отличные
друг от друга виды. Например, сущест-
вует не один, а множество близких между
собой видов клена и дуба.
То же самое наблюдается и у живот-
ных. Возьмем, например, лисиц. В Аркти-
ке давление отбора способствует выжива-
нию особей с длинным, густым мехом,
короткими ногами, ушами, хвостом и
мордой, так как эти особенности строения
помогают им сохранить тепло. В южных
районах ход температурной адаптации
противоположный, поскольку перечислен-
ные признаки окажутся вредными для жи-
вотного: ближе к экватору надо не сохра-
нять тепло, а опасаться перегрева. Если
лисицы из двух этих областей все еще
скрещиваются и дают потомство, они
продолжают относиться к одному виду
с общим генофондом. Но если их популя-
ции разошлись так далеко, что скрещива-
ния между особями больше не происхо-
дит, естественный отбор может усилить
их различия настолько, что возникнут два
разных вада. Сравните песца и серую
лисицу на рис. 4-13.
В природе, как правило, существуют
целые группы родственных друг другу
126
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Адаптации к холоду:
длинный мех,короткие
уши,ноги и морда,
окраска
Ареал >
предков
популяции
лисиц
/Рассе-
ление /
/на се- /
вер и ।
•на юг
1и раздел
\ление \
\ареала'
Северная
популяция
Песец
Разница условий обусловливает
различия в давлении отвора и
приводиткоБразованиюдвух разных
популяция
Адаптации к теплому
климату: короткий мех,
длинные уши,ноги и морда
(все, что предохраняет от
перегрева)
Рис. 4-13. Популяция, распространенная на
обширной территории, испытывает в разных ее
участках неодинаковое давление отбора. Это
Серая лисица
может привести к возникновению нескольких
разных видов. На рисунке показано гипо-
тетическое разделение исходной популяции,
от которой произошли песец и серая
лисица
видов. Этот факт объясняется процессом
видообразования.
Таким образом, благодаря избира-
тельному размножению и неодинаковому
выживанию потомства происходит посте-
пенное изменение популяционного гено-
фонда. Через несколько поколений оно
может зайти так далеко, что мы будем
считать изменившуюся популяцию новым
видом.
Это в точности соответствует опубли-
кованной в 1859 г. Чарлзом Дарвином
теории эволюции видов путем «естествен-
ного обора» и «выживания наиболее при-
способленных», т. е. особей, обладающих
такими вариантами признаков, которые
обеспечивают максимальный успех раз-
множения. Дарвин заслуживает нашего
глубокого уважения еще и потому, что
создал свою концепцию на основе лишь
эмпирических данных, ничего не зная о ге-
нах, открытых гораздо позднее.
Развитие экосистем
До сих пор наше внимание было сосре-
доточено на отдельных видах. Но каждый
из них существует и может существовать
только в экосистеме, включающей мно-
жество взаимодействующих между собой
видов-продуцентов, консументов, детри-
тофагов и редуцентов. Поэтому большин-
ство адаптаций каждого вида связано с
приспособлением к другим видам экоси-
стемы и к ее абиотическим факторам.
Например, в случае отношений хищник -
жертва естественный отбор концентри-
рует у жертвы аллели, позволяющие наи-
более эффективно избегать врага, а у хищ-
ника-повышающие его охотничьи воз-
можности. Это справедливо для всех био-
тических взаимодействий.
Каким же образом в ходе этого про-
цесса устанавливается и поддерживается
равновесие? Ответим сначала на другой
вопрос: если между двумя взаимодейст-
вующими видами в течение длительного
времени не существует равновесия, что
случится с тем, который переживает спад
численности? Очевидно, он обречен на
4. ЭКОСИСТЕМЫ: АДАПТАЦИЯ И ИЗМЕНЕНИЕ ИЛИ ВЫМИРАНИЕ?
127
Рис. 4-14. Эволюция экосистем. Естественный
отбор изменяет только уже существующие
в данном месте организжмы. Поэтому одинако-
вые экологические ниши могут занимать
разные виды в зависимости от биоты террито-
рии к началу эволюции экосистемы. А. На
островах Галапагос млекопитающих изначаль-
но не было, их экологическую нишу заняли
черепахи, ставшие здесь доминирующими
травоядными формами (фото автора). Б.
В Автралии аналогичную нишу травоядных
животных в отсутствие плацентарных млеко-
питающих заняли сумчатые (кенгуру) (фото
Австралийского информационного центра)
вымирание. А как это отразится на вто-
ром виде, зависит от его способности
выжить без «партнера». Следовательно,
в природе как бы идет естественный отбор
на устойчивость взаимоотношений. Не-
уравновешенные системы просто отсеива-
ются в результате гибели составляющих
их видов. Только взаимоотношения с
Б
устойчивым равновесием могут существо-
вать длительное время, как уже говори-
лось в гл. 3.
Для развития экосистемы характерна
еще одна особенность. Отбор-это про-
цесс изменения генофонда уже сущест-
вующего вида. Ни человек, ни природа не
могут создать новый генофонд или новый
128
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Рис. 4-15. Изоляция от других экосистем
позволила развиться на Гавайских островах
тысячам видов, которые нигде больше не
встречаются. Более 500 из них находятся под
угрозой вымирания из-за интродукции более
конкурентоспособных организмов: А «сереб-
ряный меч» - аргироксифиум гавайский; Б-
гавайская казарка; В-гавайский ходулочник;
Г древесная улитка «оаху» (Л: Photo
Researchers/Stan Goldblatt, 1980; Б: Eugene
Kridler, Гавайская служба рыбных ресурсов
и диких животных; В, Г: Гавайская служба
рыбных ресурсов и диких животных)
вид из ничего, на пустом месте. Меняется
лишь то, что уже есть.
Следовательно, ход развития любой
экосистемы определяется видами, находя-
щимися в ней с самого начала. Вот поче-
му даже при одинаковых абиотических
факторах экосистемы разных континентов
и отдаленных друг от друга островов так
сильно различаются по составу биоты.
Когда примерно 10 000 лет назад в резуль-
тате вулканической деятельности из моря
поднялся архипелаг Галапагос, млекопи-
тающих вокруг не было, а черепахи были.
Поэтому естественный отбор привел к из-
менению черепах, ставших там основны-
ми наземными фитофагами (рис. 4-14, Л).
В Австралии, отделившейся от остальной
суши 60 млн. лет назад, из млекопитаю-
щих обитали только сумчатые. В резуль-
тате эволюции эти животные, например
кенгуру, заняли экологические ниши, ха-
рактерные на других континентах для
высших, т. е. плацентарных, млекопитаю-
4. ЭКОСИСТЕМЫ: АДАПТАЦИЯ И ИЗМЕНЕНИЕ ИЛИ ВЫМИРАНИЕ?
129
щих (рис. 4-14, Ь). На Гавайских островах
также множество уникальных видов. Все
они возникли в результате изменения не-
скольких первых колонистов этого архи-
пелага.
Значит, еще раз подтверждается то,
о чем говорилось в гл. 3. В «собственной»
экосистеме вида его взаимоотношения
всегда сбалансированы, но это равновесие
легко нарушается, если он попадает в дру-
гую экосистему. В относительно молодых
экосистемах (насчитывающих лишь десят-
ки тысяч, а не десятки миллионов лет),
например на недавно возникших остро-
вах, виды особенно чувствительны к кон-
куренции, так как не прошли длительного
отбора на устойчивость. Поэтому они
могут полностью вымереть под влиянием
более «мощных» видов, завезенных туда
человеком (рис. 4-15).
Эволюционная сукцессия
В ходе естественного отбора виды все
более приспосабливаются к сосущество-
ванию с хищниками и паразитами, к кли-
матическим условиям и другим биотиче-
ским и абиотическим факторам. Однако
ни один вид, за исключением человека, не
способен предвидеть будущие изменения
среды, а тем более подготовиться к ним.
Поэтому при изменении любого био-
тического или абиотического фактора (на-
пример, при интродукции нового вида
или устойчивом похолодании) вид, плохо
приспособленный к новым условиям,
ожидает один из трех путей (рис. 4-16).
1. Миграция. Часть популяции может
эмигрировать, найти местообитания с
подходящими условиями и продолжить
там свое существование.
2. Адаптация. В генофонде могут при-
сутствовать аллели, которые позволят не-
которым особям выжить в новых усло-
виях и оставить потомство. Через не-
сколько поколений под действием естест-
венного отбора возникнет популяция, хо-
рошо приспособленная к изменившимся
условиям существования.
3. Вымирание. Если ни одна особь
популяции не может мигрировать, спа-
Рис. 4-16. Виды могут быть хорошо приспо-
соблены к окружающей среде, но при измене-
нии одного или нескольких биотических
или абиотических факторов их ждет разная
судьба
I Миграция |
|Адаптация |
Вымирание
Некоторые
эмигрируют
Никто не
выживает
Некоторые
выживают
и размно-
жаются
130
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
Рис. 4-17. Ни одному виду не гарантировано
выживание. Ископаемые остатки свидетель-
ствуют. что виды появляются, распространя-
ются, дают начало другим видам и в боль-
шинстве случаев вымирают
саясь от воздействия неблагоприятных
факторов, а те выходят за пределы устой-
чивости всех индивидов, то популяция
вымрет, а ее генофонд исчезнет. Действи-
тельно, списки ископаемых видов постоян-
но пополняются животными и растения-
ми, вымершими уже в современную эпо-
ху. Просто динозавры нам лучше извест-
ны.
Если одни виды вымирают, а выжив-
шие особи других размножаются, адапти-
руются и изменяются под действием есте-
ственного отбора, можно говорить об
эволюционной сукцессии. Это означает,
что в разные периоды своей истории Зем-
ля была населена разными существами.
Доказательством служат ископаемые
остатки растений и животных (рис. 4-17).
Границы изменений:
меняться или нет?
Итак, по мере изменения условий су-
ществования некоторые виды адаптиру-
ются и преобразуются, а другие выми-
рают. Что же определяет их судьбу?
Первое условие адаптации-выжива-
ние и размножение хотя бы нескольких
особей в новых условиях. Это зависит от
двух факторов: генетического разнообра-
зия генофонда и степени изменения среды.
Понятно, что, если генофонд очень разно-
образен (включает много аллелей), даже
при сильных изменениях среды некоторые
особи сумеют выжить. При низком разно-
образии генофонда, напротив, малейшие
колебания окружающих условий могут
привести к вымиранию вида, поскольку
аллелей, позволяющих особям противо-
стоять отрицательным воздействиям, не
найдется. Однако степень изменения сре-
ды важна ничуть не меньше. Если оно
малозаметно и/или происходит постепен-
но, большинство видов сумеет приспосо-
биться и выжить. Чем резче изменения,
4. ЭКОСИСТЕМЫ: АДАПТАЦИЯ И ИЗМЕНЕНИЕ ИЛИ ВЫМИРАНИЕ?
131
ПВиды с широкой генетической
изменчивостью
Виды со средней
изменчивостью
Виды со славой генетической
изменчивостью
Степень изменения среды
Постепенное
вымирание
Адаптация к
изменившимся
условиям (толь-
ко при условии
первоначально-
го выживания)
3 4 5 6 7 8 9
Рис. 4-18. Выживет или вымрет вид в резуль-
тате изменения условий, зависит как от степени
этого изменения, так и от уровня наследствен-
ной изменчивости популяции. У мелких
популяций с узкой генетической изменчи-
востью слабая способность к адаптации; они
могут вымереть даже при незначительных
изменениях (А). Если изменчивость больше,
виды способны адаптироваться к более
существенным изменениям среды (А, Б). Очень
сильные ее изменения приводят к вымиранию
всех видов (В).
тем большее разнообразие генофонда тре-
буется для выживания (рис. 4-18). Воз-
можны такие катастрофические измене-
ния, например в случае ядерной войны,
что не выживет ни один вид. Отсюда
следует важный принцип: выживание вида
обеспечивается его генетическим разно-
образием и слабыми колебаниями внешних
условий.
К генетическому разнообразию и
изменению среды можно добавить еще
один фактор-географическое распростра-
нение. Чем шире распространен вид, тем,
как правило, выше его генетическое раз-
нообразие, и наоборот. Кроме того, при
обширном ареале некоторые его участки
могут оказаться удаленными или изоли-
рованными от районов, где нарушались
условия существования; в них вид сохра-
нится, даже если исчезнет из других мест.
Если благодаря наличию определен-
ных аллелей часть особей выжила в новых
условиях, восстановление популяции и
дальнейшая адаптация будут зависеть от
скорости воспроизведения, поскольку
изменение признаков происходит только
путем отбора в каждом поколении. На-
пример, пара насекомых обычно дает не-
сколько сотен потомков, которые прохо-
дят жизненный цикл от яйца до половоз-
релой особи за несколько недель. Следо-
вательно, скорость воспроизведения здесь
по крайней мере в тысячу раз выше, чем
у птиц, выкармливающих только 2-6
птенцов в год, и одинаковый уровень
приспособленности к новым условиям ра-
зовьется во столько же раз быстрее. Стоит
ли удивляться, что насекомые быстро
адаптируются и приобретают устойчи-
вость к применяемым против них пести-
цадам, тогда как другие дикие виды от
этих обработок погибают. Подчеркнем
еще раз, что изменение условий, например
использование ядохимикатов, само по се-
бе не вызывает возникновения полезных
мутаций. Это случайные изменения. Адап-
5*
132
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
тивные признаки развиваются на основе
наследственного разнообразия, уже суще-
ствующего в генофонде вида. Если оно
слишком низкое, вид вымирает.
Важны размеры организма. Популя-
ция мух может существовать и в мусор-
ном ведре, тогда как крупным животным
для выживания требуются обширные про-
странства. Например, панде нужны мно-
гие квадратные километры бамбуковых
лесов.
Связь с жизнью человека
Исследования и датировка ископае-
мых остатков показали, что человек поя-
вился на Земле совсем недавно. На вопрос
«когда именно?» можно ответить образ-
но. Представим, что весь период развития
органического мира (около 4 млрд, лет)
сократился до одного года, в котором
каждый день соответствует 11 млн. лет
(рис. 4-19). В этом масштабе большую
часть года, приблизительно до середины
августа, заняли эволюция примитивных
организмов вроде бактерий. Затем, при-
мерно 1 сентября, т. е. 1,4 млрд, лет назад,
возникли первые сложные клетки, типич-
ные для современных растений и живот-
ных. После этого эволюция пошла быст-
рее. Все основные типы морских беспозво-
ночных появились в сентябре-октябре,
а в ноябре (около 450 млн. лет назад)
сформировались первые позвоночные
предшественники рыб. «Век рыб» и «Век
амфибий», длившиеся приблизительно по
100 млн. лет, заняли большую часть нояб-
ря. В декабре амфибии уступили место
гигантским рептилиям (динозаврам), ко-
торые господствовали на Земле до середи-
ны этого месяца. К концу третьей недели
(60 млн. лет назад) и они стали вымирать.
Их сменили птицы и млекопитающие. На-
конец, 31 декабря около 16.00 (3 млн. лет
назад) появился первый человек; нынеш-
нее сельское хозяйство развилось за по-
следние две минуты года (10000 лет),
а научно-техническая революция, начав-
шаяся в XVIII в., продолжается всего две
секунды.
Изучая ископаемые остатки, можно
заметить в эволюционной сукцессии пово-
ротные пункты, резко менявшие весь ход
дальнейших событий. Примером служит
появление позвоночных, давшее начало
«Веку рыб» и запустившее процесс, при-
ведший к сухопутным животным, репти-
лиям и млекопитающим. Последний по-
воротный пункт-возникновение челове-
ка, Homo sapiens, сильно изменившего и
продолжающего менять облик Земли.
Но есть ли какие-нибудь основания
считать, что человек-это вершина эволю-
ции и ее конечная точка? Ясное дело, нет!
Наоборот, очевидно, что все процессы
генетических изменений, ведущие к появ-
лению новых видов и вымиранию уже
существующих, непрерывно продолжают-
ся. По-прежнему основное условие, опреде-
ляющее жизнеспособность вида,-его спо-
собность устанавливать и поддерживать
равновесие с другими видами в пределах
экосистемы, обеспечивающей эффектив-
ный круговорот биогенов и устойчивый
поток энергии. С учетом этого современ-
ный человек может оказаться не более
чем проходным персонажем на эволю-
ционной сцене; что значат считанные се-
кунды по сравнению с двумя-тремя неде-
лями динозавров? Мы создали систему,
основанную не на равновесии, а на все
расширяющейся эксплуатации воды, био-
генов, энергии, почвы и других ограничен-
ных ресурсов.
Развитие современной цивилизации до
недавнего времени было по своей природе
«животным»: мы использовали окружаю-
щую среду с максимальной нагрузкой, не
заботясь о последствиях. Массовое унич-
тожение и нарушение природных экоси-
стем подрывает видовое разнообразие-
необходимое условие стабильности био-
Рис. 4-19. Сопоставление геологической вре-
менной шкалы с одним годом дает представле-
ние об относительной продолжительности
различных этапов эволюции живого. Обратите
внимание, что две трети времени заняло
развитие клетки. Затем темпы увеличились. Вся
эволюция человека с момента его появления
заняла только последние 8 ч последнего дня
года, а научно-технический прогресс, начав-
шийся после Промышленной революции XVIII
в., идет всего две секунды
4. ЭКОСИСТЕМЫ: АДАПТАЦИЯ И ИЗМЕНЕНИЕ ИЛИ ВЫМИРАНИЕ?
133
сферы. Даже простое сокращение числен-
ности видов приводит к обеднению их
генофондов и утрате аллелей, без которых
невозможна адаптация к меняющейся сре-
де. Это касается и домашних животных
с культурными растениями. Вспомним за-
суху 1988 г., во время которой в США
погибло 38% урожая кукурузы. Для вы-
ведения устойчивых к неблагоприятным
условиям сортов требуются аллели диких
популяций. А если таковых нет, что тог-
да?
Подрывать способность видов к адап-
тации опасно и потому, что климатиче-
Совре- -г-
менность
юо--
200--
з00’-! декабря
400--
500
млн.
Последние
динозавры
Первые
динозавры
млрд.--1окТЯБРЯ
1,5
млрд.
^„--^ЮЛЯ
млрд.
2,5
млрд.
-1 мая
3'0 --1 апреля
млрд. г
зл
млрд.
4,0
п млрд.4-1 января
Реальная Относительная
-1 ноября
-1 сентября
-1 августа
-1 июня
-1 марта
^февра-
ля
©
W<f.
Развитие
позвоночных
Ископаемые остатки
Бактериальных колоний
Рост разнообразия
бактерий
Нитчатые фотосинтези-
рующие бактерии
Свидетельства существо-
вания первых Бактерий
Развитие сложнооргани-
зованных клеток
Высокое разнообразие
бактерий
быстрый рост разнооб-
разия жизненных форм
в морях, появление
всех типов беспозвоноч-
ных
Первые клетки, характер-
ные.для животных и
высших растений
Господство млекопи-
тающих
Развитие млекопитаю-
щих
Амфибии,начало освое-
ния суши
Первые челюстноротые
рыбы
и млн. лет
31 декабря? __
-- 64
--18Ч
__Ископаемые останки
древнейших людей
~Р 23ч 59 мин 58с, начало
промышленной революции
--пятиитир
— 124
Начало эволюции
человека
23ч58мин, развитие
сельского хозяйства
шкала шкала времени
времени,
лет назад
^.Процессы,приведшие к
_. образованию органических
молекул
134
Ч. I. ЧТО ТАКОЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КАК ОНИ ФУНКЦИОНИРУЮТ
ские и другие условия постепенно меня-
ются и сами по себе, без участия человека.
Однако мы ускоряем эти изменения в гло-
бальном масштабе. Мы выбрасываем в
атмосферу углекислый газ и другие за-
грязнители, создавая парниковый эффект,
ведущий к потеплению климата, разру-
шаем озоновый экран, провоцируем кис-
лотные дожди. Оценивая эти воздействия,
климатологи прогнозируют, что в течение
ближайших 50 лет парниковый эффект
вызовет такие изменения климата, кото-
рые при естественном ходе событий про-
изошли бы только за 2000 лет, т.е. про-
цесс ускорился в 40 раз.
Вероятно, насекомые и сорняки обла-
дают диапазоном наследственности, поз-
воляющим адаптироваться к таким быст-
рым изменениям среды, но большинство
более крупных растений и животных к
этому неспособны. Современное сельское
хозяйство с его узкой генетической базой
оказывается беззащитным. Большее раз-
нообразие сортов, как в древности, воз-
можно, повысило бы его устойчивость, но
в этом направлении работают лишь не-
сколько ученых-энтузиастов (см. пример
к главе).
Вывод, как будто, ясен. Сокращение
генетического разнообразия, с одной сто-
роны, и ускоряющееся, резкое изменение
окружающей среды-с другой, вряд ли
способствуют устойчивости биосферы.
Поэтому мы стоим на пороге очередного
важного «эволюционного события», кото-
рое определит дальнейшее развитие жиз-
ни на Земле. Либо произойдет разрушение
биосферы, сопровождающееся вымира-
нием большинства видов, и наступление
«Века насекомых и сорняков», либо мы
научимся контролировать свою всесокру-
шающую мощь и создадим устойчивую
человеческую экосистему, где будет соб-
людаться равновесие между всеми оби-
тающими на Земле видами, и пойдем
дальше по пути совершенствования своих
духовных и интеллектуальных способно-
стей. Только такая экосистема позволит
сохранять и развивать науку, технику,
культуру, всю цивилизацию. События,
изменяющие ход эволюции, происходили
в истории Земли приблизительно раз в
100 млн. лет. Осознаем же, что мы живем
именно в такую эпоху. В ближайшие 50
лет нам предстоит сделать выбор: либо
создать устойчивую человеческую экоси-
стему, либо стать очевидцами катастро-
фы.
Очевидно, здесь нет альтернативы.
Зная основные принципы устойчивости и
равновесия природных экосистем, мы
должны применить их в человеческом
обществе-и построить здание на фунда-
менте, который уже заложен.
Пример
Семена для замены
Доктор ботаники Гэри Пол Набхан,
заместитель директора «Ботанического
Поле кукурузы, выращиваемой индейцами-
навахо в каньоне Челли на севере Аризоны,
свидетельствует о способности местных сортов
обходиться без орошения (Bill Steen, Элджин,
Аризона)
4. ЭКОСИСТЕМЫ: АДАПТАЦИЯ И ИЗМЕНЕНИЕ ИЛИ ВЫМИРАНИЕ?
135
сада пустыни» в Финиксе (Аризона) и
основатель общества «Поиск туземных
семян», проводит много времени за изуче-
нием гербариев, ботанических архивов и
отчетов путешественников и миссионеров
прошлого. Когда ему попадаются сведе-
ния о редких съедобных растениях, возде-
лывавшихся туземцами, он отправляется
в экспедицию, чтобы выяснить судьбу
этих культур. Чаще всего удается оты-
скать бедного фермера, который отвечает
примерно так: «Да, мы всегда выращива-
ли это растение, но сейчас перестали.
Последние семена мы положили в могилу
моей матери, умершей много лет назад».
Обидно-еще один вид сельскохозяйст-
венных растений исчез навсегда. Но иног-
да поиски приносят успех. Находится
семья, где все еще выращивают необыч-
ную культуру, передавая из поколения
в поколение ее семена. Их доктор Набхан
привозит из экспедиции и раздает затем
членам основанного им общества, а те
выращивают из них взрослые экземпляры
исчезающего вида и таким образом сох-
раняют его. Какова цель всех этих уси-
лий?
Можно подобрать и вырастить расте-
ние, подходящее к существующей среде,
но можно и создать среду, необходимую
данному растению. Не имея возможности
контролировать внешние факторы, древ-
ние цивилизации отбирали и культивиро-
вали растения, способные выживать и да-
вать урожай в самых неблагоприятных
условиях-без орошения, пестицидов и
удобрений.
В Северной Дакоте вдоль реки Миссу-
ри индейские племена выращивали мно-
жество сортов кукурузы и тыквы. На су-
хих, незакрепленных песках плато Коло-
радо у земледельцев племени хопи вызре-
вал подсолнечник. В полупустынях юго-
запада Северной Америки индейцы разво-
дили сотни сортов фасоли. Корни расте-
ний уходили в землю на глубину до шести
футов (около 2 м), достигая влажных
горизонтов. Фасоль давала богатый уро-
жай при жаре до 46 °C почти при полном
отсутствии дождей. В Перу в каждой де-
ревне возделывался свой сорт картофеля
или других клубнеплодов. Так люди суще-
ствовали в течение тысячелетий, выращи-
вая прекрасно адаптированные к усло-
виям среды культуры. Нередко они пред-
ставляли собой «семейную реликвию»,
поскольку произрастали только в одном
месте, а их семена передавались из поко-
ления в поколение.
Современное сельское хозяйство пош-
ло по другому пути: внешние условия
изменяют в соответствии с требованиями
растения. Упор делается на выращивание
немногих высокоурожайных сортов и по-
лучение максимальной продукции с по-
мощью удобрений, пестицидов и ороше-
ния. Многие «семейные» сорта теперь за-
быты или навсегда утрачены. По словам
доктора Иабхана, из всех съедобных рас-
тений, возделывавшихся аборигенами
Америки во времена Колумба, приблизи-
тельно 75% уже исчезло, а многие из
сохранившихся находятся на грани исчез-
новения.
Такие авторитетные эксперты, как На-
циональная академия наук США и Продо-
вольственная и сельскохозяйственная
организация ООН (ФАО), считают, что
развитие современного сельского хозяйст-
ва идет неправильным путем. Из-за узо-
сти своей генетической базы нынешние
сорта плохо приспособлены к пережива-
нию неблагоприятных воздействий и
адаптации к изменениям климата. Поэто-
му сейчас, когда последний, по-видимому,
становится суше и жарче за счет парнико-
вого эффекта и истощения водных ресур-
сов, земледелие может оказаться на краю
гибели. Вспомним потерю 38% урожая
кукурузы во время засухи 1988 г. Возмож-
но, мы снова перейдем на разнообразные
«семейные» сорта, способные плодоно-
сить в самых неблагоприятных условиях.
Тогда человечество с благодарностью
вспомнит людей типа доктора Набхана
и организации типа его «Поиска туземных
семян», чьи усилия позволили уберечь
древние сорта от исчезновения.
(Из статей и беседы с Гэри Полом
Набханом, заместителем директора «Бо-
танического сада пустыни» в Финиксе,
Аризона, и основателем общества «Поиск
туземных семян».)
Часть
II
НАСЕЛЕНИЕ
Взрывообразно возрастающее народо-
население Земли быстро переполняет и
разрушает природные экосистемы, основу
биологического разнообразия и сохране-
ния устойчивого, самовозобновляемого
существования биосферы. Поэтому важ-
нейшее условие дальнейшего прогресса
человечества-прекращение роста его чис-
ленности и снижение ее отрицательного
воздействия на природную среду. Только
добившись собственного популяционного
равновесия, можно и дальше развивать
культуру, технологию, цивилизацию в це-
лом. Вот слова Филипа Хандлера, бывше-
го президента Национальной академии
наук США: «Я не могут поверить, что
основная цель человечества-эксперимен-
тально установить, какое количество лю-
дей сможет выдержать наша планета. Но
я могу себе представить замечательный
мир, где ограниченное по численности
население живет в достатке, свободное
в полной мере использовать возможности
человеческого духа и воображения».
Связь человечества с окружающей сре-
дой определяется не одной только числен-
ностью народонаселения, но и стилем
жизни. При высокообеспеченном стиле
жизни потребляется множество мате-
риальных благ, что требует как использо-
вания ресурсов для их изготовления, так
и во многих случаях дополнительных
источников энергии для пользования ими
(например, автомобилями). Производст-
во материальных и энергетических ресур-
сов, сжигание топлива и выбрасывание
отслуживших свой срок изделий приводят
к накоплению отходов, загрязняющих
среду. Как потребление ресурсов, так и
загрязнение чреваты тяжелыми экологи-
ческими последствиями. Более простой
стиль жизни, когда, к примеру, велосипед
предпочитают автомобилю, очевидно,
наносит меньший ущерб среде. Однако
связь между стилем жизни и воздействием
на среду не столь однозначна.
Негативное влияние нашего стиля жиз-
ни на окружающую среду может быть
либо значительно ослаблено, либо усугуб-
лено в зависимости от уровня экологиче-
ского сознания общества. Наличие разви-
того экологического сознания подразуме-
вает, например, что вредные последствия
высокообеспеченного стиля жизни можно
заметно снизить, подбирая менее вредные
заменители ресурсов, охраняя природу,
вторично используя отходы, контролируя
загрязнение. А вот передвижение на везде-
ходах по дикой природе, сильно разру-
шающее естественные экосистемы,-это
пример крайне низкого уровня экологиче-
ского сознания, значительно усугубляю-
щего отрицательное влияние обеспеченно-
го стиля жизни на окружающую среду.
При отсутствии экологического созна-
ния даже простой, «близкий к природе»
стиль жизни не ведет сам по себе к отсут-
ствию вредного воздействия на природу.
Пример - вырубка леса под посевы и ради
заготовки дров. Это не только разруше-
ние природного местообитания и уничто-
жение дикой флоры и фауны на расчищен-
ной таким образом площади, но в отсут-
ствие грамотного землепользования-пер-
вый шаг к эрозии почвы и потере ее
плодородия, засорению ближайших ручьев
наносами и нарушению жизни в воде.
Таким образом, при отсутствии экологи-
Ч. II. НАСЕЛЕНИЕ
137
ческого сознания «первобытный» стиль
жизни может подействовать на окружаю-
щую среду тяжелее, чем «образованное»
городское существование. Вопреки рас-
пространенному убеждению, жизнь в го-
родах с точки зрения использования ре-
сурсов и энергии часто более эффективна,
чем в пригородах или в деревне. Располо-
женные в ряд здания и квартирные комп-
лексы можно обогреть, охладить, обеспе-
чить коммуникациями и транспортом го-
раздо более эффективно, чем индивидуаль-
ные дома. Связь между этими тремя фак-
торами - численностью населения, стилем
жизни и экологическим сознанием-мож-
но описать следующей формулой:
Экологические _
последствия “
Численность населения х Стиль жизни
Уровень экологического сознания
Эта формула показывает, что воздей-
ствие общества на окружающую среду
прямо пропорционально численности че-
ловечества и уровню его жизни, но ослаб-
ляется с развитием экологического созна-
ния. Все три составляющие здесь вполне
равнозначны. Дискуссии о том, сколько
людей сможет или не сможет выжить на
Земле, лишены смысла, если не прини-
мать во внимание стиль жизни и уровень
экологического сознания.
Если же их учитывать, окажется, что
существуют две самостоятельные «проб-
лемы народонаселения». Одна из них ка-
сается промышленных стран (Западная
Европа, США, Канада, Австралия, Япо-
ния, Россия), где связана не столько с чис-
ленностью населения, сколько с накопле-
нием загрязняющих веществ, отходов и
другими последствиями обеспеченного
образа жизни. Другая проблема стоит
перед народами слабо развитых стран,
в которых проживает большинство насе-
ления Земли. Здесь бедняки, ежедневно
озабоченные выживанием, вырубают ле-
са, истощают пастбища и пашни. Это
приводит к эрозии почвы, что означает не
только окончательную потерю ее плодо-
родия, но и заиление и гибель ручьев, рек
и озер. Такое развитие, очевидно, весьма
неустойчиво. По существу, народы этих
стран ради выживания в ближайшие годы
совершают в долгосрочной перспективе
экологическое самоубийство. Если такая
тенденция сохранится, явления, подобные
периодическому голоду в Эфиопии, в ско-
ром времени охватят и другие страны.
По поводу экологического кризиса в
странах Третьего мира некоторые, ве-
роятно, скажут: «Давайте заниматься соб-
ственными проблемами. Если они погуби-
ли свою окружающую среду и теперь
умирают от голода, это их трудности».
Другие, однако, возразят, что подобная
позиция напоминает положение «счаст-
ливчиков», собравшихся на носу тонущего
корабля и потешающихся над беднягами,
оставшимися на уходящей под воду кор-
ме.
Эта аналогия недалека от действитель-
ности. Ведь мы все находимся на одном
космическом корабле Земля, и биосфера
у нас общая. Если бедные народы выру-
бят свои тропические леса, это настолько
сократит биологическое разнообразие и
нарушит стабильность биосферы, что ско-
рее всего мы вместе пойдем ко дну.
Значит, движение к устойчивому раз-
витию человечества требует и решения
проблем обнищания населения в слабо-
развитых странах. Этому посвящены
гл. 5 и 6. В следующих главах внимание
сконцентрировано на загрязнении при-
родных ресурсов, что уже в большей сте-
пени касается высокоразвитых стран. Со-
вершенно ясно одно: даже при нынешней
численности мирового населения невоз-
можно поддерживать устойчивый достой-
ный стиль жизни, обеспечивающий нор-
мальные питание, одежду и кров, без рез-
кого повышения уровня экологического
сознания, ведущего к улучшению исполь-
зования и охраны окружающей среды.
5
Проблема народонаселения,
масштабы, аспекты, причины
Раздел
I. МАСШТАБЫ И АСПЕКТЫ ПРОБЛЕМЫ
НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ..................140
А. Рост человеческой популяции . . . 140
Б. Богатые и бедные нации .... 140
В. Население и бедность..........143
1. Рождаемость и половозрастные пирами-
ды ..........................144
2. Демографический потенциал . . 145
3. Рост населения сводит на нет результа-
ты экономического роста и усугубляет
долговой кризис....................145
Г. Население, бедность и окружающая сре-
да ..................................149
Пример. Влияние населения на тропические ле-
са .......................................160
Учебные вопросы
1. Нарисуйте график, иллюстрирующий, как
народонаселение Земли росло с древней-
ших времен по наши дни и как оно про-
должает расти. Устойчив ли такой рост?
2. Покажите на карте высоко-, умеренно- и
слаборазвитые страны. Опишите распре-
деление материальных ценностей и насе-
ления между этими странами.
3. В каких странах население растет быстрее
всего? Где оно приближается к стабиль-
ному?
4. Дайте определения коэффициента рож-
даемости, простой воспроизводящей рож-
даемости. Сопоставьте ее и реальную
рождаемость в более и менее развитых
странах. Постройте половозрастные пира-
миды для более и менее развитых стран
и сравните их. Обоснуйте, как будет расти
население в более и менее развитых стра-
нах, основываясь на современных поло-
возрастных пирамидах, коэффициентах
рождаемости и смертности.
5. Опишите, как изменится население разви-
вающихся стран в ближайшие 60-80 лет,
если рождаемость в них упадет до уровня
простого воспроизведения. Дайте опреде-
ление демографического потенциала. Ка-
ково вероятное изменение соотношения
богатых и бедных в мире в ближайшие 50
лет?
6. Опишите, как рост численности населения
сводит на нет успехи экономического рос-
та.
7. Объясните, почему для жителей развитых
стран нежелательно игнорировать про-
блемы населения развивающихся стран.
5. ПРОБЛЕМА НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ, МАСШТАБЫ, АСПЕКТЫ, ПРИЧИНЫ
139
II. ДЕМОГРАФИЧЕСКИЙ ВЗРЫВ: ЕГО ПРИ-
ЧИНЫ И ВОЗМОЖНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ
СВЯЗАННЫХ С НИМ ПРОБЛЕМ . . 150
А. Рождаемость, смертность и уравнение
роста населения...........150
Б. Причины демографического взрыва . 151
1. Снижение младенческой и детской
смертности.......................152
2. Переход от пререпродуктивной смерт-
ности к пострепродуктивной . . 153
3. Пострепродуктивная продолжитель-
ность жизни слабо влияет на числен-
ность населения..................153
8. Дайте определения общих коэффициентов
рождаемости (ОКР) и смертности
(ОКС). Используя их, вычислите ско-
рость прироста населения в процентах
и время его удвоения. Приведите совре-
менные статистические данные для более
или менее развитых стран.
9. Приведите значения ОКР и ОКС для
человечества до XIX в.
10. Какие важные события произошли между
серединами XIX и XX вв.? Опишите, как
снижение младенческой и детской смерт-
ности повлияло на выживаемость, ОКР,
ОКС и рост населения.
11. Объясните, почему переход от пререпро-
дуктивной и пострепродуктивной смерт-
ности так важен с точки зрения числен-
ности населения.
12. Дайте определение пострепродуктивной
продолжительности жизни. Объясните,
почему она сравнительно слабо влияет на
прирост населения.
4. Несчастные случаи и стихийные бед-
ствия слабо влияют на численность на-
селения ..........................155
В. Решение проблемы: снижение коэффициен-
тов рождаемости....................156
1. Демографический переход . . . 156
2. Причины различий между коэффициен-
тами рождаемости развитых и разви-
вающихся стран..................157
13. Объясните, почему аварии и стихийные
бедствия слабо влияют на рост населения.
14. Каково наиболее приемлемое решение
проблемы численности населения?
15. Что такое демографический переход? За-
вершился ли он в более развитых стра-
нах? В менее развитых?
16. Назовите и опишите факторы, которые
побуждают людей в аграрных обществах
заводить больше детей, а в индустриаль-
ных-меньше. Сравните историю нынеш-
них высоко- и слаборазвитых стран и на
основе этого объясните, почему коэффи-
циенты рождаемости для них так разли-
чаются. Назовите дополнительные фак-
торы, в настоящее время осложняющие
проблему.
140
Ч. II. НАСЕЛЕНИЕ
Цель этой главы-дать представление
о различных аспектах взрывообразного
роста населения Земли и его причинах.
Только поняв их, можно эффективно за-
ниматься решением этой проблемы.
Масштабы и аспекты
проблемы народонаселения
Рост человеческой
популяции
Последние 150 лет население Земли
росло и продолжает расти феноменальны-
ми, взрывообразными темпами. Цифры
говорят сами за себя.
С древнейших исторических эпох до
начала прошлого века численность миро-
вого народонаселения колебалась около
нескольких сотен миллионов человек, то
медленно возрастая, то снижаясь из-за
эпидемий и волн голода. Только около
1830 г. она достигла 1 млрд, человек.
Однако в XV1II-XIX вв. ситуация заметно
изменилась. Население перешло от со-
стояния медленного роста, перемежающе-
гося спадами, к эпохе взрывообразного
увеличения. Около 1930 г., всего через
100 лет после достижения миллиардного
уровня, его численность превысила 2 млрд,
человек, уже 30 лет спустя (1960 г.) достиг-
ла 3 млрд, и всего лишь через 15 лет
(1975) —4 млрд. Затем, еще через 12 лет
(1987) народонаселение Земли перевалило
пятимиллиардную отметку, и такой рост
продолжается, составляя примерно
90 млн. (рождаемость минус смертность)
человек в год. Это равно суммарному
населению всех крупных городов США
(рис. 5-1, Л). Однако в течение двух по-
следних десятилетий процентные темпы
прироста начали снижаться. Несмотря на
это, при нынешней огромной численности
населения его абсолютная численность
будет расти быстрее, чем раньше. Таким
образом, даже при современной тенден-
ции к снижению темпов прироста населе-
ние планеты превысит шестимиллиард-
ную отметку в 1999 г., и, если не произой-
дет никаких резких перемен, такой харак-
тер увеличения популяции скорее всего
сохранится и в XXI в., пока к его концу
численность населения не достигнет 10
млрд, человек (рис. 5-1, Б).
Этот прогноз основан на простой
экстраполяции графиков, построенных по
накопленным данным. Но они не учиты-
вают углубляющиеся экологические проб-
лемы, ставящие под сомнение существо-
вание такого количества людей в нашей
биосфере. Поскольку в ней вот-вот прои-
зойдут серьезные климатические сдвиги,
ресурсы быстро истощаются и дегради-
руют под давлением «всего лишь» пяти-
миллиардного населения, сомнительно,
что она выдержит его рост до 10 млрд,
человек (а тем более обеспечит им устой-
чивые условия жизни), если не произойдут
серьезные изменения как в стиле жизни,
так и в уровне экологического сознания
людей. Чтобы человечество продолжало
устойчиво развиваться, требуется даль-
нейшее снижение темпов прироста населе-
ния и распространение среди него эколо-
гического сознания.
Богатые и бедные нации
Страны мира обычно делят на три
основные экономические категории:
1) высокоразвитые, промышленные, или
страны с высоким национальным доходом'.
США, Канада, Япония, Австралия, госу-
дарства Западной Европы и Скандинавии;
2) умеренно развитые, или страны со
средним национальным доходом', большин-
ство государств Латинской Америки
(Мексика, Центральная и Южная Амери-
ка), Северной и Западной Африки, Юго-
Восточной Азии;
3) слаборазвитые, или страны с низким
национальным доходом'. большинство
стран Восточной и Центральной Африки
и Индия (КНР до сих пор относили к этой
категории, но, возможно, скоро перенесут
во вторую). Они известны также как стра-
ны Третьего мира.
Социалистические страны, за исключе-
нием Китая, обычно рассматриваются как
отдельная категория, как и ряд других
государств вроде Саудовской Аравии, где
большинство граждан бедны, но нацио-
нальный доход высок благодаря экспорту
5. ПРОБЛЕМА НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ, МАСШТАБЫ, АСПЕКТЫ, ПРИЧИНЫ
141
Рис. э-1. Демографический взрыв. А. На
протяжении большей части человеческой
истории численность населения росла очень
медленно, но сейчас его рост стал взрыво-
образным. Данные до 1800 г-оценочные (с
разрешения из кн. E.J. Kormondy, “Concepts of
Ecology”, 3rd ed., Englewood Cliffs, NJ: Prentice-
Hall, Inc., 1984). Б. Рост народонаселения
приведен более детально для 1700-1989 гг.
и экстраполирован до 2050 г.
нефти. На карте (рис. 5-2) отмечены эти
группы стран, указано их население и при-
ведены данные по национальному доходу.
Промышленные страны с высоким на-
циональным доходом обычно называют
развитыми, а умеренно- и слаборазвитые -
развивающимися. Иногда о первых гово-
рят как о более, а о вторых-как о менее
развитых.
Неравенство в распределении мате-
риальных ценностей между этими группа-
ми стран и их гражданами ошеломляет.
В высокоразвитых странах проживает
25% мирового населения, которое при
этом владеет 80% мирового богатства.
Таким образом, на долю развивающихся
стран (75% мирового населения) его оста-
ется только 20%. Это неравенство можно
проиллюстрировать следующей анало-
гией. Представим все мировые материаль-
ные ценности как блюдо с двадцатью
пирожками. Вокруг стола расположились
двадцать человек, каждый из которых
олицетворяет 5% мирового населения.
Кажется, было бы справедливо, если бы
все получили по пирожку, но на деле все
не так. Пятеро из двадцати, представляю-
щие население высокоразвитых стран,
возьмут 16 пирожков и поделят их между
собой (один из них-это население США,
приближающееся к 250 млн. человек). На
блюде останется всего четыре пирожка на
15 человек, соответствующих 75% миро-
Рис. 5-2. Страны мира разделены на группы в соответствии с их валовым национальным продуктом (ВНП) на душу населения. Это
главный показатель уровня жизни. Указана также численность населения в разных районах земного шара (World Development Report
1984. Copyright 1984 Международного банка реконструкции и развития/Всемирного банка. С разрешения Oxford Univercity Press, Inc.,
Нью-Йорк. Данные по численности населения-из Population Reference Bureau)
5. ПРОБЛЕМА НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ, МАСШТАБЫ, АСПЕКТЫ, ПРИЧИНЫ
143
вого населения. Но и они (народы разви-
вающихся стран) не поделят оставшееся
угощение поровну. Пятеро, представляю-
щие умеренно развитые страны, возьмут
три пирожка, оставив остальным десяти
(2,5 млрд, человек в странах Третьего
мира) всего один.
Конечно же, богатство и внутри каж-
дой страны распределено неравномерно.
От 10 до 15% людей в высокоразвитых
странах относятся к разряду бедных (они
не в состоянии обеспечить себя полноцен-
ным жильем, питанием и/или одеждой),
а 10% населения развивающихся стран
считается богатым. Экономические инте-
ресы среднего человека в высокоразвитой
стране направлены на обзаведение соб-
ственным комфортабельным домом,
автомобилем, несколькими телевизорами
и другими удобствами. Питание заботит
его главным образом в связи с перееда-
нием (рис. 5-3, Л). А вот большинство
людей в странах Третьего мира и немалая
их доля в умеренно развитых странах
безнадежно бедны. Они лишены полно-
ценных пищи, жилья и всяких бытовых
удобств. Их главный экономический инте-
рес-простое ежедневное выживание (рис.
5-3, Ь). Во всем мире по меньшей мере
1 млрд, человек (т. е. каждый пятый) вхо-
дит в эту категорию. Недоедание и смерть
от голода широко распространены среди
бедных народов Азии и Африки, особенно
среди младенцев и детей.
В 1950-1970-х гг. предпринятые уси-
лия по развитию хозяйства привели к
некоторому сглаживанию такого эконо-
мического неравенства, но за последние
10 лет эти усилия исчерпали себя и тен-
денция к поляризации доходов возобно-
вилась. В 1980-х гг. разрыв между стра-
нами заметно увеличился: богатые про-
должали богатеть, а бедные-беднеть. Та-
кая ситуация продолжает сохраняться и
сегодня.
Население и бедность
Тем не менее именно в слаборазвитых
странах население растет быстрее всего.
Если нынешняя скорость его увеличения
сохранится, то оно удвоится через 25-35
Рис. 5-3. А. В высокоразвитых странах о еде
думают с позиции выбора любимых блюд. Б.
ООН раздает пищу недоедающим детям
в Бангладеш (A: Bob Gambarelli; Б: ООН)
144
Ч. II. НАСЕЛЕНИЕ
лет. Численность населения высокоразви-
тых стран, наоборот, приближается к по-
стоянному уровню, хотя картину здесь
осложняет иммиграция.
Рождаемость и половозрастные
пирамиды
Ключевой фактор, определяющий дис-
пропорции в темпах прироста населения,-
суммарный коэффициент рождаемости
(СКР), т. е. среднее число детей, которое
рожает каждая женщина в течение жизни
(по текущим статистическим данным).
При современном состоянии здравоохра-
нения большинство их доживает до поло-
вой зрелости и в свою очередь обзаво-
дится детьми. Если предположить, что все
дети выживают, СКР, равный 2,0, обеспе-
чит неизменную численность населения:
два ребенка заменят отца и мать, когда те
умрут. СКР ниже 2,0 приведет к сниже-
нию численности населения, потому что
родительское поколение будет замещено
неполностью, а СКР выше 2,0 обусловит
рост населения, так как число родителей
будет возрастать с каждым поколением.
СКР, при котором родителей столько же,
сколько сменяющих их детей, т. е. числен-
ность популяции неизменна, известен как
простая воспроизводящая рождаемость.
Если учесть, что часть детей все-таки не
доживает до половой зрелости, для вы-
сокоразвитых стран она составляет сейчас
2,03, а для слаборазвитых-2,20, посколь-
ку младенческая и детская смертность там
выше.
Сравним эти цифры с реальной си-
туацией. СКР в высокоразвитых странах
равен 1,9, т. е. несколько ниже уровня
простого воспроизведения. Однако насе-
ление их до сих пор растет, потому что
более высокая рождаемость в прошлом
привела к тому, что нынешнее поколение
достаточно многочисленно и в настоящее
время, несмотря на низкий СКР, число
новорожденных здесь превышает число
умерших. Но уже можно прогнозировать
стабилизацию и снижение численности
населения, так как нынешнее многочис-
ленное поколение родителей стареет, уми-
рает и неполностью замещается детьми.
СКР в менее развитых странах составляет
4,8 без Китая и 4,1, если его учитывать.
Это более чем вдвое превышает простую
воспроизводящую рождаемость и приво-
дит к удвоению численности населения
в каждом поколении.
Спустя определенное время неодина-
ковые СКР приводят к резко различным
половозрастным пирамидам, отражающим
возрастной и половой состав населения.
Их обычно изображают в виде гисто-
граммы, демонстрирующей количество
людей в каждой возрастной группе, обыч-
но с разницей в пять лет. Полосы, соответ-
ствующие мужской половине населения,
располагают с одной стороны графика,
женской-с другой (рис. 5-4). Можно ви-
деть, что половозрастная пирамида высо-
коразвитых стран (рис. 5-4, Ь) выглядит
как колонна, отражая тот факт, что чис-
ленности детей, подростков, молодых лю-
дей, людей среднего и старшего возрастов
примерно одинаковы. Это объясняется
СКР, близким к простому воспроизводя-
щему уровню, когда каждая возрастная
группа как раз замещает предыдущую.
В то же время половозрастная пира-
мида развивающихся стран выраженно
треугольная, поскольку число детей, про-
изведенных на свет каждой возрастной
группой, примерно вдвое превышает ее
собственную численность (рис. 5-4, Л).
Это приводит к населению с преоблада-
нием молодежи и относительно неболь-
шой долей людей среднего и старшего
возрастов. Не следует упускать из виду
и то, что в таких странах около 40%
населения моложе 15 лет, а, кроме того,
много молодых людей без основательной
профессиональной подготовки и жизнен-
ного опыта. Здесь перед государствами
стоит грандиозная задача дать молодежи
образование, профессию и возможность
продуктивно работать.
Можете ли Вы теперь предсказать
структуру будущего населения на основе
современной половозрастной пирамиды
и статистических данных о соотношении
рождаемости и смертности? Сразу видно,
что каждые пять лет все полосы сдвига-
ются вверх на одну позицию. Верхние при
этом укорачиваются, а самая верхняя ис-
5. ПРОБЛЕМА НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ, МАСШТАБЫ, АСПЕКТЫ, ПРИЧИНЫ
145
чезает. так как глубокие старики умирают.
А снизу появляется новая полоса, соот-
ветствующая числу родившихся за пяти-
летний период. Если СКР останется не-
изменным, половозрастная пирамида
развивающихся стран будет представлять
собой все более широкоугольный тре-
угольник, так как каждое последующее
поколение многочисленнее предыдущего
и производит на свет еще более много-
численное потомство (рис. 5-4, В). Зато
половозрастная пирамида развитых стран
сохранит свою форму (рис. 5-4, Г).
Демографический потенциал
Даже если СКР развивающихся стран
упадет до уровня простого воспроизведе-
ния (что крайне маловероятно), числен-
ность их населения еще некоторое время
будет продолжать расти, прежде чем ста-
билизируется. Это должно произойти от-
того, что даже при «идеальном» СКР =
= 2,0 сегодняшнее поколение детей моло-
же 15 лет в будущем произведет количест-
во потомков, равное своей численности,
а это значительно превысит число уми-
рающих среди относительно немногочис-
ленных групп людей старших возрастов.
Такая ситуация сохранится в течение еще
60-70 лет, пока нынешняя молодежь не
начнет, достигнув преклонного возраста,
умирать. Тогда численности молодых лю-
дей и стариков примерно сравняются и
половозрастная пирамида- приобретет
форму колонны. При такой структуре на-
селения смертность пожилых людей будет
уравновешена рождаемостью. Но к этому
времени все население успеет возрасти
в два-три раза (рис. 5-4, В).
Таким образом, население развиваю-
щихся стран обладает демографическим
потенциалом благодаря высокой нынеш-
ней доле молодых людей, которая приве-
дет к удвоению населения в ближайшем
будущем, даже если рождаемость сущест-
венно понизится. Вся разница в том, что
при низком уровне СКР численность на-
селения через 60 лет стабилизируется, а
при сохранении высокого СКР она будет
неоднократно удваиваться, пока за ее ре-
гулирование не возьмутся такие лимити-
рующие факторы, как голод, болезни и
социальные потрясения.
Предпринимаемые в мире усилия в
области планирования семьи привели в
последние десятилетия к существенному
снижению СКР. Если предположить, что
эта тенденция сохранится и в будущем,
развивающиеся страны приблизятся к
уровню простой воспроизводящей рожда-
емости примерно к 2025 г. (рис. 5-5). Но
при нынешнем демографическом потен-
циале их население будет продолжать за-
метно расти до 2080 г.
Следовательно, через 50-70 лет мы
столкнемся с быстрым ростом населения
развивающихся стран, тогда как в высо-
коразвитых странах он будет медленным
или вообще прекратится (рис. 5-6). Доля
их населения станет составлять все мень-
ший процент от общемирового и через 50
лет снизится в нем до 10% против ны-
нешних 25%. Кроме того, богатые, по-
видимому, продолжат богатеть, а бедные-
беднеть по причинам, описанным ниже.
Рост населения сводит
на нет результаты
экономического роста
и усугубляет долговой кризис
Один из показателей среднего уровня
жизни - валовой национальный продукт на
душу населения, исчисляемый путем деле-
ния валового национального продукта
страны (общей стоимости реализованных
материальных благ и услуг) на числен-
ность ее населения. Очевидно, что эконо-
мические успехи высокоразвитых стран,
где население не растет, прямо сказыва-
ются на повышении уровня жизни их граж-
дан, тогда как в менее развитых странах
произведенные блага должны распреде-
ляться между все большим и большим
числом людей, так что уровень жизни
в них нередко падает.
Иначе говоря, реальное экономическое
развитие нации с точки зрения обеспече-
ния людей всем необходимым предста-
вляет собой разницу между ростом эко-
номики и населения:
Экономический рост — Рост населения =
= Реальный экономический рост.
146
Ч. И. НАСЕЛЕНИЕ
1984 г.
Возраст
Мужчины Женщины
| бо|б4 |
А
50^54
45 ; 49
40744
35-39
30-34
25-729
20-24
лВЕ
10-14
5^9
0-4-
1---1---1---1---’---1---Г~'1----1----1---I---1—
240 200 160 120 80 40 0 40 80 120 160 200 240
Миллионы
Возраст
1—1—Г
240 200 160
80+1
Мужчины Женщины
[бВу64 |
155-59 I
50^54 ]
45;49 |
40-Жя
1—I—Г
120 80 40 0 40 80 120 160
п г
200 240
Миллионы
Например, если и в США, и в бедной
африканской стране Кении экономика
растет на 2,5% в год, то в США, где
темпы роста населения 0,7%, реальный
экономический рост составит примерно
1,8% в год (2,5 — 0,7 = 1,8), а в Кении, где
население увеличивается ежегодно на 4%,
экономика отстает от его прироста
(2,5 -4,0 = -1,5).
Серьезная помеха для экономического
развития развивающихся стран - долговой
кризис. В 1960-1970-е гг. они финансиро-
вали рост своей экономики в основном за
счет займов у промышленных наций, при-
чем добились значительных успехов. Но
Рис. 5-4. Половозрастные пирамиды для
развивающихся и развитых стран на 1984 и (по
оценкам) 2024 г. А. Все развивающиеся страны.
Б. Все развитые страны. Рисунки сделаны
в одном масштабе; длина каждой полосы
соответствует указанному числу людей (Leon
Bonvier, “Planet Earth, 1984-2034: A Demografic
Vision”, Population Bulletin, 39, No. 1 [Popula-
tion Reference Bureau, Inc.] Washington D. C.
1984)
5. ПРОБЛЕМА НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ, МАСШТАБЫ, АСПЕКТЫ, ПРИЧИНЫ
147
2084 г.
Возраст
Мужчины ______I_I Женщины
| 75у79
| 70~74
| б5;69
| 60-64
| 5575д
________________50^54
45-49
________________40-^44
________________35-39
30-44
________________25—29
________________20 у24
________________15-Л9
1044
5 у9
o_t_4
440 400 360 320 280 240 200 160 120 80 40 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440
Миллионы
Рис. 5-4. В. Население развивающихся стран
через 40 лет (2024 г.), если сохранится совре-
менный уровень рождаемости (общая длина
полос) или же если СКР снизится к 2004 г. до
2,0 (светлая часть полос), что маловероятно. Г.
Население развитых стран в 2024 г., если СКР
в них останется на прежнем уровне 2,0.
Обратите внимание, что даже при самых
оптимистических допущениях население разви-
вающихся стран вырастет до огромных цифр,
тогда как в развитых странах-совсем немного;
таким образом, лежащее на них бремя забот
о человечестве существенно увеличится
сейчас их общая задолженность состав-
ляет 1 триллион долларов, и они уже
•миновали фазу закупок, вступив в неиз-
бежную фазу платежей. Многие разви-
вающиеся страны теперь отдают боль-
шую часть своих доходов в счет процен-
тов за долги, слишком мало оставляя для
дальнейшего развития. Более того, кре-
диторы не желают возобновлять займы,
потому что сомневаются в возвращении
даже существующих долгов, не говоря
уже о новых. Стремясь собрать средства
для платежей, многие развивающиеся
страны переживают экономический кри-
зис с высоким уровнем безработицы и
148
Ч. II. НАСЕЛЕНИЕ
Рис. 5-5. Рождаемость в развивающихся
странах в последние годы снизилась. Если эта
тенденция сохранится, то примерно к 2020 г.
население мира станет просто воспроизво-
диться, не увеличиваясь
Рис. 5-6. А. Высокая рождаемость в развиваю-
щихся странах приводит к тому, что население
в них растет намного быстрее, чем в развитых
странах. Б. В результате 90% населения
планеты со временем будут жить в развиваю-
щихся странах, главным образом в бедности
(Thomas W. Merrick, “World Population in
Transition”, Population Bulletin, Vol. 41, No. 2,
перепечатка Population Reference Bureau, Inc.,
янв. 1988; Вашингтон, c. 4)
5. ПРОБЛЕМА НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ, МАСШТАБЫ, АСПЕКТЫ, ПРИЧИНЫ
149
Рис. 5-7. Деревенская сцена в Бенине, Западная
Африка (фото Joseph Hadar, Всемирный банк)
инфляцией, темпы которой доходят до
100% в год; жилищное строительство,
школы, больницы, службы быта приходят
там во все больший упадок.
Легко понять, что при столь высокой
рождаемости и выплате большей части
доходов в счет долгов бедные нации еще
нескоро догонят богатые; пока что бо-
гатые богатеют, бедные беднеют.
Обратимся теперь к вопросу, постав-
ленному в начале главы. Где же будут
жить все эти новые миллионы, вернее,
миллиарды людей? Ясно, главным обра-
зом в бедных, менее развитых странах.
Как они будут одеваться, питаться, на-
ходить кров, получать образование и все
остальное, необходимое человеку? Оче-
видно, не лучшим образом (рис. 5-7).
Население, бедность
и окружающая среда
Как бы мы в развитых странах ни
убеждали себя, что можем просто игно-
рировать подобную ситуацию, поскольку
это «их проблемы», именно растущее на-
селение развивающихся стран ради своего
повседневного выживания истощает паст-
бища и почвы, сводит леса на дрова и со-
вершает многие другие, безумные с эко-
логической точки зрения действия. Не-
когда плодородные земли превращаются
в пустыню (см. гл. 7), а это угрожает не
только «виноват ой» нации, но и биосфере
в целом (см. пример в этой главе). Устой-
чивое развитие, если мы к нему стре-
мимся, требует гораздо большего, чем
безучастное наблюдение за происходя-
щим. Для него необходимы конкретные
действия, направленные как на снижение
рождаемости, так и на охрану окружа-
ющей среды.
Однако, перед тем как перейти к таким
действиям, нужно понять, почему взры-
вообразный рост населения характерен
как раз для бедных стран или, наоборот,
почему в развитых странах его числен-
ность почти стабилизировалась.
150
Ч. II. НАСЕЛЕНИЕ
Демографический взрыв:
его причины и возможное
разрешение связанных
с ним проблем
На рождаемость и смертность влияет
множество факторов: болезни, война, се-
мейные и национальные традиции, эко-
номика, религия, нравственные идеалы и
т.д. Если не учитывать иммиграцию и
эмиграцию, изменения размеров популя-
ции сводятся к разности между числом
рождений и смертей. Рассмотрим демо-
графический взрыв с точки зрения того,
как и почему рождаемость и смертность
меняются со временем.
Рождаемость, смертность
и уравнение роста
населения
Во всех странах рождения и смерти
регистрируются, так что эта информация
вполне доступна. Сравнивая темпы при-
роста населения в разных странах, на-
селение обычно делят на группы по 1000
человек и рассчитывают среднее число
рождений и смертей на 1000 человек в год.
Эти показатели называют общими коэф-
фициентами рождаемости (ОКР) и смерт-
ности (ОКС) соответственно. «Общий»
здесь означает, что данные цифры не учи-
тывают, какую часть населения страны
составляют пожилые и молодые люди,
мужчины и женщины - факторы, как уже
отмечалось выше, серьезно сказывающи-
еся на будущем нации. Вычитая ОКС из
ОКР, получают естественный прирост (или
убыль, если смертность выше рождаемо-
сти) населения, который следует отличать
от изменений численности, вызываемых
иммиграцией и эмиграцией.
Темпы прироста (или убыли) можно
выразить в процентах: для этого резуль-
тат делят на 10.
ОКР - ОКС =
= (Изменение на 1000 чел.): 10 =
= Изменение на 100 чел.,
т. е. процент.
Современные статистические данные
(табл. 5-1) говорят, что в группе высоко-
развитых стран ОКР в среднем равен 15,
а ОКС-9; значит, прирост населения-
0,6% в год:
15-9 = 6 (на 1000 чел.),
6:10 = 0,6%.
При современной численности 1,2 млрд,
человек такой прирост приводит к еже-
годному увеличению населения развитых
стран на 7 млн. человек. В то же время
в группе слаборазвитых стран ОКР равен
31, а ОКС-10, что дает прирост 2,1%
в год. Его более высокие темпы при более
высокой исходной численности (на сегод-
няшний день 3,9 млрд, человек) приводит
к ежегодному увеличению населения этих
стран примерно на 83 млн. человек. Из
табл. 5-1 видно, что темпы прироста на-
селения в некоторых высокоразвитых
странах бывают даже отрицательными,
тогда как у наций со средним и низким
доходом они всегда довольно высокие.
Обычно принято оценивать рост на-
селения по времени удвоения, т.е. по пе-
риоду, необходимому для удвоения его
численности при современных темпах при-
роста. Это означает, что за то же самое
время жилищный фонд, сельскохозяйствен-
ная продукция, число рабочих мест, про-
изводство энергии, водоснабжение, систе-
ма очистки сточных вод, школьная сеть,
система здравоохранения и т.п. должны
также вырасти вдвое просто для сохране-
ния прежнего уровня жизни. А чтобы он
повысился, все это должно расти быстрее.
Время удвоения вычисляется делением
70 на темпы прироста в процентах. Так,
население высокоразвитых стран при
современных темпах прироста удвоится
через 117 лет (70:0,6=117), а развива-
ющихся стран-через 33 года. В некото-
рых случаях время удвоения будет еще
короче. Например, ОКР и ОКС в Кении
равны соответственно 53 и 13. При таком
соотношении темпы прироста составляют
4% в год, и, если они сохранятся в даль-
нейшем, население этой страны удвоится
всего через 17,5 лет:
53 - 13 = 40; 40:10 = 4%; 70:4 = 17,5.
5. ПРОБЛЕМА НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ, МАСШТАБЫ, АСПЕКТЫ, ПРИЧИНЫ
151
Таблица 5-1. Демографические данные по отдельным регионам и странам за 1988 г.
Регионы
Суммарный Общий Общий Валовой
коэффициент коэффициент коэффициент национальный
рождаемости рождаемо- смертно- продукт на
сти1} сти*) душу населе-
ния, долл.
США
Мир в целом 3,6 28 10 ЗОЮ
Более развитые страны 1,9 15 9 10700
Менее развитые страны 4,1 31 10 640
Менее развитые страны без Китая 4,8 35 12 780
Африка 6,3 44 15 620
Азия без Китая 4,3 32 11 1480
Латинская Америка 3,7 29 8 1720
Северная Америка 1,8 15 9 17170
Европа 1,8 13 10 8170
Высокоразвитые страны
США 1,8 16 9 17 500
Западная Германия 1,4 10 11 12080
Франция 1,8 14 10 10740
Англия 1,8 13 10 8920
Япония 1,7 11 6 12 850
Австралия 1,9 15 7 11910
Умеренноразвитые страны
Мексика 4,0 30 6 1850
Бразилия 3,4 28 8 1810
Аргентина з,з 24 9 2350
Южная Корея 2,1 19 6 2370
Коста-Рика 3,6 34 5 1420
Слаборазвитые страны
Китай 2,4 21 7 300
Индия 4,3 33 13 270
Пакистан 6,6 43 15 350
Эфиопия 7,0 46 15 120
Кения 8,0 54 13 300
Замбия 7,0 50 13 300
Руанда 8,5 53 16 290
° Число рождений или смертей на 1000 человек за год
Попытайтесь себе представить, что все
жизненные блага, которыми мы пользу-
емся в развитых странах, удваиваются
меньше чем за 18 лет. Любые экономи-
ческие успехи, очевидно, сводятся на нет
таким ростом населения, а уровень жизни
в этих странах обречен на снижение.
Причины демографического
взрыва
Вернемся к гл. 3, в которой говори-
лось, что у всех видов есть репродук-
тивный потенциал, который приведет к
популяционному взрыву, если высокий
процент потомства доживет до половой
зрелости и размножится. Рост природных
популяций сдерживается сопротивлением
среды, т. е. факторами, приводящими к
гибели значительной доли молоди до на-
ступления репродуктивного возраста.
Примерно до XIX в. так обстояло и с че-
ловеческой популяцией.
Еще в конце 1800-х гг. не было ничего
необычного в том, что родители заводили
по 7-10 детей, из которых только 1-3
доживали до половой зрелости. Эпидемии
заболеваний типа оспы, ветрянки, дизен-
152
Ч. II. НАСЕЛЕНИЕ
терии, дифтерии, скарлатины, кори, кок-
люша уносили множество детских жиз-
ней. После эпидемии большая некогда
семья нередко оставалась вовсе без детей.
Иными словами, рождаемость была вы-
сокой-ОКР достигал 40-50, но из-за вы-
сокой смертности в детском возрасте
ОКС был почти таким же. Следователь-
но, население, если и росло, то медленно.
Снижение младенческой
и детской смертности
В середине 1800-х гг. работы Луи
Пастера и других ученых показали, что
эпидемии вызываются микроорганизма-
ми. Эти открытия привели к разработке
эффективных мер профилактики и лече-
ния заболеваний. Особенно важными но-
вовведениями были вакцинация против
большинства детских инфекций и значи-
тельное улучшение санитарных условий,
предотвращающее заражение питьевой
Рис. 5-8. Кривые выживаемости начинаются
в точке, соответствующей численности населе-
ния 1000 человек, и показывают, сколько из них
доживают до каждого возраста. А. Выживае-
мость цветных мужчин в США в 1902 г.,
типичная для эпохи, предшествовавшей по-
явлению современного здравоохранения. Б.
Выживаемость населения США в 1976 г.
(данные Департамента здравоохранения,
образования и благосостояния США, Служба
здравоохранения)
воды и/или пищи патогенами из сточных
вод. Затем в XX в. открытие антибио-
тиков привело к появлению лекарств,
казавшихся в то время чудом. Важней-
шим результатом всего этого было резкое
снижение младенческой и детской смерт-
ности. Сегодня в развитых странах ре-
бенок очень редко умирает от болезни,
тогда как 100 лет назад такие случаи
считались обычными.
Снижение младенческой и детской
смертности можно рассматривать как по-
вышение выживаемости. Это показатель
того, сколько живет группа из 1000 ново-
рожденных. Кривая выживаемости стро-
ится на основе статистических данных
о возрасте умерших людей. График А на
рис. 5-8 типичен для ситуации, предше-
ствовавшей появлению современной ме-
дицины. Он отражает высокую смерт-
ность в младенческие и детские годы:
лишь около половины рождающихся де-
тей достигает двадцатилетнего возраста.
Затем кривая постепенно снижается до
пределов продолжительности жизни чело-
века. Кривая Б на рис. 5-8 типична для
современной ситуации: свыше 95% ново-
рожденных доживают до 40 лет и более;
быстрое повышение смертности начина-
ется не раньше 50-летнего возраста.
Итак, профилактика и лечение детских
заболеваний привели к резкому снижению
смертности. ОКС снизился с 40-50 на
1000 человек в год до приблизительно 10,
причем это число соответствует доле
умерших пожилых людей. А ОКР по-
5. ПРОБЛЕМА НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ, МАСШТАБЫ, АСПЕКТЫ, ПРИЧИНЫ
153
прежнему остался на уровне 40-50. Это
несоответствие и вызвало демографиче-
ский взрыв. Важно то, что он связан лишь
со снижением смертности. Рождаемость
не возросла; как будет показано, она даже
снизилась, хотя и незначительно.
Переход от пререпродуктивной
смертности к пострепродуктивной
Рано или поздно люди все-таки уми-
рают. Почему же смерть, скажем, от рака
или сердечно-сосудистых заболеваний не
играет такой демографической роли, как
связанная с детскими болезнями? Все дело
в том, умер человек до появления у него
детей (иререпродуктивная смерть) или
после (пострепродуктивная смерть).
В качестве иллюстрации рассмотрим
две семьи, в которых у родителей всегда
рождается по четверо детей. Сначала пред-
Рис. 5-9. Влияние пререпродуктивной и постре-
продуктивной смертности на прирост населе-
ния. А. Пререпродуктивная смертность
сдерживает его. Б. Пострепродуктивная смерт-
ность позволяет населению расти
положим, что в каждом поколении двое
из четырех детей умирают до достижения
половой зрелости (рис. 5-9, А). Тогда
останется только двое детей, которые ро-
дят четверых внуков, но из них вновь
только двое доживут до взрослого воз-
раста. Когда старшее поколение умирает,
двоих родителей замещают столько же
детей, т. е. численность населения оста-
ется неизменной.
Во второй семье все четверо детей
доживают до половой зрелости и обза-
водятся потомством. У четверых детей
родится восемь внуков, у тех-шестнад-
цать правнуков и т. д. (рис. 5-9, Б). Таким
образом, удвоение населения происходит
в каждом поколении, хотя старшее по-
коление умирает. Значит, пострепродук-
тивная смертность не может быть фак-
тором, ограничивающим рост населения.
Пострепродуктивная
продолжительность жизни слабо
влияет на численность населения
В самом деле, пострепродуктивная про-
должительность жизни людей оказывает
минимальное воздействие на рост населе-
ния и к тому же временное. Рис. 5-10
ПЕРЕРЕПРОДУКТИВНАЯ СМЕРТНОСТЬ
Поколение 1 2 3 4 5
• Взрослый х Умерший о Ревенок • • • • ииоо ХД • • /к ММоо ХА А МЯ о о ХА • • ХИо о
Численность 2 2 2 2 2
А
ПОСТРЕПРОДУКТИВНАЯ СМЕРТНОСТЬ
Поколение 1 2 3 4 5
• • • • • • • • • ♦ • • ••••••••
• • • • • • • • «•••••••
• Взрослый • • / П ••••••••
х Умерший / ••••••••
о Ревенок 1 А. г\ о о о о \\ О О ОО 0 ООО
' XX о о о о GO0OO ООО
о о о о 1-5 о о О О ХА ОООО0 ООО
О О О О ~ о о о о о о о о ООООО ООО
Численность 2 4 8 16 32
б
154
Ч. II, НАСЕЛЕНИЕ_________________________
5. ПРОБЛЕМА НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ, МАСШТАБЫ, АСПЕКТЫ, ПРИЧИНЫ
155
Рис. 5-10. Влияние продолжительности жизни
на рост населения. В каждом случае у пары
рождается четверо детей, а время генерации
составляет 20 лет. А. Продолжительность
жизни 60 лет; население удваивается в каждом
поколении. Б. Продолжительность жизни 80
лет; в этом случае численность населения лишь
немного больше, чем в предыдущем, и также
удваивается в каждом поколении. В. Продол-
жительность жизни 40 лет; численность населе-
ния уменьшается на 15% по сравнению
с рис. А, но также удваивается в каждом
поколении
иллюстрирует это утверждение. Для про-
стоты в нем сделано допущение, что в
каждой семье четверо детей, а время гене-
рации равно 20 годам. Сравниваются слу-
чаи продолжительности жизни, равной 60,
80 и 40 годам. В каждом из них исходная
численность населения составляет 14 че-
ловек: 2 прародителя (дедушка и бабуш-
ка), 4 родителя и 8 детей. Если продолжи-
тельность жизни 60 лет, старшее поко-
ление исчезает при появлении каждого
нового, и всегда оказываются представ-
лены три поколения (рис. 5-10, Л). При
этом население в каждом поколении удва-
ивается: с 14 до 28 человек, затем до 56
и т.д. На рис. 5-10, Б продолжительность
жизни составляет 80 лет, и одновременно
оказываются представленными 4 поколе-
ния. Престарелые люди, остающиеся жи-
выми при появлении первого нового по-
коления, увеличивают общую числен-
ность населения по сравнению с рис.
5-10, Л примерно на 7%, но затем оно
опять начинает просто удваиваться: с 30
до 60 человек, затем до 120 и т. д. На рис.
5-10, В продолжительность жизни 40 лет,
и в каждом поколении население лишает-
ся старшей возрастной группы. Сначала
это приводит к сокращению численности
примерно на 15% по сравнению с рис.
5-10, Л (24 и 28), но после этого население
опять в каждом поколении удваивается.
Следовательно, лечатся ли люди от
таких возрастных заболеваний, как рак
или сердечно-сосудистые нарушения, и
живут дополнительно 20-30 лет или же
умирают от них в 40-50 лет, это не ведет
к устойчивому росту населения, хотя,
безусловно, имеет социальные и экономи-
ческие последствия.
Несчастные случаи
и стихийные бедствия слабо влияют
на численность населения
Аналогичным образом несчастные
случаи и стихийные бедствия вопреки вы-
сказываемым иногда предположениям
не контролируют численность населения.
Эти факторы не оказывают направлен-
ного влияния на пререпродуктивную смерт-
ность и, несмотря на социальное и эконо-
мическое значение связанных с ними по-
терь, относительно слабо отражаются на
росте населения в целом. Так, например,
в США ежегодные потери от автомобиль-
ных катастроф, составляющие около
50000 человек, возмещаются в течение
десяти дней. Несколько лет назад прилив-
ной волной смыло прибрежный рисовод-
ческий район в Индии. Погибло около
полумиллиона человек - огромные потери
для стихийного бедствия. Однако есте-
ственные темпы прироста населения в Ин-
дии компенсировали их за 30 дней. Даже
войны со времен второй мировой нена-
долго отражаются на численности населе-
ния. Во вьетнамской войне погибло около
45 000 американцев. Естественный при-
рост населения в стране-около 150000
человек в месяц-эти потери компенси-
ровал за 10 дней или за три недели, если
считать только мужчин. Даже регулярная
гибель в мире 3-6 млн. человек за год от
голода и неполноценного питания несу-
щественна с демографической точки зре-
ния, если сравнить ее с глобальным при-
ростом населения, составляющим за этот
же период примерно 90 млн. человек. Эти
потери компенсируются примерно за две
недели.
Итак, в прошлом для человечества бы-
ли характерны высокие коэффициенты
рождаемости и смертности (в основном
детской). Быстрый рост народонаселения
начался из-за снижения детской смерт-
ности при сохранении прежнего уровня
рождаемости.
156
Ч. II. НАСЕЛЕНИЕ
Решение проблемы:
снижение коэффициентов
рождаемости
Конечно, стабильную численность на-
селения можно было бы обеспечить, по-
высив уровень смертности, но все наши
усилия направлены на то, чтобы этого не
случилось. Есть только один гуманный
способ сдержать рост населения-снижение
рождаемости до уровня, соответствующе-
го нынешней низкой смертности. Это уже
произошло в более развитых странах, где
рождаемость приблизилась к уровню
простого воспроизведения (рис. 5-11). В
развивающихся странах она также не-
сколько снизилась, но не столь значи-
тельно, поэтому быстрый рост их населе-
ния продолжается.
Рис. 5-11. Рождаемость в США (сплошная
линия). С 1880 г. появилась тенденция к ее
снижению до уровня простого воспроизведения
(пунктирная линия). Пик в период с 1945 по
1965 г. соответствует аномальному буму ро-
ждаемости после второй мировой войны и не
вытекает из общей тенденции (Population
Reference Bureau, Inc., Вашингтон)
Демографический переход
Анализируя рождаемость и смертность
в высокоразвитых странах за последние
200 лет, можно заметить четкий переход
от «примитивной» стабильности (высокая
рождаемость и высокая смертность) к
«современной» (низкая смертность и низ-
кая рождаемость). Это называют демо-
графическим переходом. Как видно на рис.
5-12, он включает четыре отдельные фазы.
Фаза I. Ситуация при слабом развитии
медицины: уровень рождаемости высок,
но детская и младенческая смертность
тоже высока, так что население, если и
растет, то медленно.
Фаза II. Общество научилось контро-
лировать заболевания, приводившие в
первую очередь к высокой пререпродук-
тивной смертности. Она резко снизилась,
но рождаемость осталась высокой, что
вызвало быстрый рост населения.
Фаза III. Социальные и/или экономи-
ческие изменения приводят к снижению
рождаемости. В конце этой фазы числен-
ность населения вновь стабилизируется,
поскольку снижение младенческой и дет-
ской смертности компенсируется низкой
рождаемостью.
Фаза IV. Новая стабильная числен-
Год
5. ПРОБЛЕМА НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ, МАСШТАБЫ, АСПЕКТЫ, ПРИЧИНЫ
157
ность населения поддерживается за счет
низкой рождаемости и низкой смерт-
ности.
В промышленных странах в основном
завершиласть третья фаза демографиче-
ского перехода: рождаемость снизилась
настолько, что население скоро достигнет
неизменного уровня с низкой рождаемо-
стью и соответствующей ей низкой смерт-
ностью. А вот развивающиеся страны на-
ходятся только в самом начале этой фазы.
Уровень смертности в них понизился, но
рождаемость, хотя и снижается, все еще
значительно его превышает. Каковы же
социальные и экономические факторы,
приведшие к снижению рождаемости в
промышленных странах? Знание их по-
зволит стимулировать снижение рожда-
емости в развивающихся странах, без чего
невозможно устойчивое развитие челове-
ческого общества.
Причины различий
между коэффициентами рождаемости
развитых и развивающихся стран
Суммарный коэффициент рождаемости,
т.е. число детей у супружеской пары, за-
висит главным образом от двух факторов:
1) числа детей, которое она желает
иметь (допускаем, что это число меньше
максимальной женской плодовитости);
2) доступности эффективных противо-
зачаточных средств.
Кроме любви и достатка на решение
супружеской пары- заводить то или иное
число детей влияют многие социальные
и экономические факторы, которые в ин-
дустриальном и аграрном обществах часто
различны. По целому ряду причин аграрное
общество отдает предпочтение большой
семье, а индустриальное общество-ма-
ленькой.
1. Дети: экономическое подспорье или
обуза. На семейной ферме дети могут быть
ценными помощниками. Даже четырехлет-
ние малыши способны взять на себя не-
малую часть более легкой работы типа
кормления цыплят и сбора яиц, а двенадца-
тилетние дети часто трудятся наравне со
взрослыми. Дети оказывают также огром-
ную помощь в доставке продукции на ры-
нок и ее продаже. И напротив, в условиях
города возможности ребенка внести свой
вклад в экономическое благосостояние
семьи крайне ограничены, зато издержки на
его питание, одежду и образование велики.
Короче говоря, аграрные семьи хотят боль-
ше детей, потому что это их экономическое
подспорье, а городские-меньше, поскольку
это экономическая обуза.
2. Гарантии в старости. Индустриальное
общество уже пришло к тому, чтобы пред-
лагать людям и даже настаивать на ис-
пользовании ими различных программ по
охране здоровья и пенсионному обеспече-
нию, гарантирующих заботу во время бо-
лезни и в старости. В аграрных обществах
люди надеются только на самих себя;
подобных программ там не существует. По
традиции предполагается, что дети обеспе-
чат родителям заботу и поддержку в ста-
рости. Следовательно, чем больше детей,
тем надежнее положение стариков.
3. Образование и профессиональные воз-
можности. Индустриальное общество и го-
родские условия дают самые разнообраз-
ные возможности получить образование и
продвинуться по службе, которыми люди
могут воспользоваться для повышения сво-
его благосостояния. Поэтому они стре-
мятся повременить с женитьбой и/или с об-
заведением детьми, а в результате про-
пускают самый благоприятный с физиоло-
гической точки зрения период деторожде-
ния (конец второго-начало третьего де-
сятилетия жизни) и, в конце концов, остав-
ляют меньше потомства, чем могли бы при
другом стечении обстоятельств. И напро-
тив, в аграрном обществе относительно
мало профессиональных возможностей по-
мимо традиционного занятия фермерством,
которому люди обучаются «автоматиче-
ски»-по мере того как подрастают. По-
этому они рано женятся и начинают об-
заводиться детьми, оставляя многочислен-
ное потомство.
4. Положение женщины. В аграрных
обществах обычно считается, что первая
и главная задача женщины-рожать и вос-
питывать детей. Женщины часто отстра-
няются, даже законодательно, от занятия
бизнесом и работы в промышленности.
Единственная приемлемая для них роль
158
Ч. II. НАСЕЛЕНИЕ
Рис. 5-12. Демографический переход. На этом
схематизированном графике представлены
четыре его фазы. Фаза I характеризуется
стабильной численностью населения при
высоких уровнях рождаемости и смертности.
Для фазы II характерно снижение смертности,
но рождаемость остается по-прежнему высо-
кой, что ведет к повышению темпов прироста
населения. В фазе III рождаемость падает,
и это вновь приводит к стабилизации числен-
ности населения. Фаза IV-новый неизменный
уровень численности при низких коэффициен-
тах рождаемости и смертности. Высокоразви-
тые страны в настоящее время приближаются
к концу третьей фазы, а развивающиеся
находятся только на начальных ее стадиях
в глазах мужчин - забота о большой семье.
Поэтому у женщин почти не остается
иного выбора. Движение в защиту прав
женщин в индустриальных обществах, на-
против, открыло перед ними большин-
ство мужских профессий. Многие женщи-
ны стремятся сделать карьеру и в связи
с этим ограничивают число детей.
5. Религиозные верования. Некоторые
религии поощряют крупные семьи. В го-
родах люди обычно уходят из-под вли-
яния этих догм, если не от религии вооб-
ще, вероятно, в результате большего со-
прикосновения с иными культурными цен-
ностями. В то же время в аграрных об-
ществах люди стремятся сохранить сло-
жившиеся традиции.
6. Доступность противозачаточных
средств. Наконец, желание ограничить
число детей трудно осуществить, если не-
доступны безопасные и эффективные кон-
трацептивы. В развивающихся странах,
особенно в сельской местности, они ред-
кость.
До Промышленной революции все
общества были в основном аграрными.
У них просто не оставалось выбора: при
отсутствии машин большинство населе-
ния по необходимости занималось кре-
стьянским трудом, чтобы обеспечить
страну достаточным количеством пищи.
Во второй половине XIX в-первой поло-
вине XX в. в странах, которые в насто-
ящее время относятся к высокоразвитым,
более или менее одновременно произо-
шли три события. Как уже говорилось,
прогресс в профилактике и лечении за-
болеваний привел к снижению детской
смертности. В то же самое время происхо-
дила механизация фермерских хозяйств,
а в городах росла промышленность, так
что люди устремились туда из деревень
в поисках работы. По мере усвоения все
большим процентом населения городско-
го образа жизни рождаемость снижалась
более или менее параллельно со смерт-
ностью. В результате демографического
взрыва в тех странах, которые сегодня
относятся к индустриальным, никогда не
было (рис. 5-13, Л). Наконец, заселение
Западного полушария, особенно США и
Канады, снимало демографическое давле-
ние с Европы.
Сегодняшние развивающиеся страны
в XVIII и XIX вв. были колониями. Пока
в Европе и Америке развивалась про-
мышленность, в них господствовал и под-
держивался аграрный уклад, необходимый
для производства выгодных для метро-
5. ПРОБЛЕМА НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ, МАСШТАБЫ, АСПЕКТЫ, ПРИЧИНЫ
159
Рис. 5-13. Увеличение народонаселения мира
происходило благодаря снижению смертности,
а не росту рождаемости. Фактически она также
несколько снизилась. Повышение темпов
прироста хорошо заметно по увеличиваю-
щемуся разрыву между графиками рождае-
мости и смертности для непромышленных
стран (с разрешения Population Reference
Bureau, Inc., Вашингтон)
полии культур (кофе, сахара, чая, табака,
хлопка, бананов и т. д.). Большинство
этих колониальных стран добилось не-
зависимости только в середине XX в. Сле-
довательно, высокий уровень смертности
и рождаемости сохранялся в большинстве
из них до второй мировой войны. После
нее были предприняты массированные
усилия по улучшению здоровья людей во
всем мире. Результатом стало резкое па-
дение детской смертности в связи с рас-
пространением вакцинаций и антибиоти-
ков при сохранении всех условий, спо-
собствовавших высокой рождаемости. По-
этому большинство стран Азии и Африки
вступило одновременно в эру независи-
мости и демографического взрыва, прак-
тически не начав индустриализации, по-
рождающей социально-экономические фак-
торы, ведущие к снижению рождаемости.
160
Ч. II. НАСЕЛЕНИЕ
Рис. 5-14. Район трущоб в Бомбее. Рост
населения в аграрных странах, происходящий
одновременно с модернизацией сельского
хозяйства, вызывает интенсивную миграцию
населения из деревень в города. Но здесь для
этих людей не хватает ни работы, ни жилья.
Результат-трущобы, протяженность и убо-
жество которых американцам трудно себе
представить. Тысячи бездомных спят прямо на
улицах (ООН)
В настоящее время проблема еще бо-
лее осложняется. Недостаток земель для
благоустройства растущего населения при-
водит к истощению пастбищ, выпахива-
нию и эрозии почвы, что сильно снижает
ее плодородие. Природные ресурсы, в
частности леса, уничтожаются ради по-
лучения топлива и скудных экспортных
возможностей. Все симптомы неустойчи-
вого развития налицо. Большое число
людей (главным образом, молодых), не-
способных прокормиться на земле,
устремляются в города. Однако в усло-
виях зачаточной индустриализации для
них не хватает там ни работы, ни жилья,
ни чистой воды, ни канализации. Резуль-
тат всего этого - быстрый рост в Третьем
мире городов с миллионами безработных,
полуголодных людей, живущих в убогих
лачугах или прямо на улицах (рис. 5-14).
Именно на эти проблемы мы обратим
внимание в гл. 6.
Пример
Влияние населения
на тропические леса
Вероятно, ни в какой другой стране
взаимосвязь между ресурсами, окружаю-
щей средой и населением не проступает
так явно, как в Бразилии, где сейчас про-
живает шестая по величине нация плане-
ты. Предполагают, что современная чис-
ленность населения 145 млн. человек к
2000 г. возрастет до 180 млн. и, если ны-
нешние темпы прироста сохранятся, уд-
воится всего через 33 года.
Ситуация здесь немного лучше, чем
в 90 странах, где удвоение населения ожи-
дается менее чем через 30 лет. Но, по-
скольку в мире в целом оно произойдет
только через 40 лет, Бразилия служит
5. ПРОБЛЕМА НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ, МАСШТАБЫ, АСПЕКТЫ, ПРИЧИНЫ
161
Кукурузное поле, расчищенное подсечно-
огневым способом и хижина хозяина. Паленке,
Мексика (Tom McHugh/Photo Researchers)
классическим примером истощения ресур-
сов окружающей среды и возможностей
размещения населения.
Пытаясь выплатить проценты по не-
померно высоким долгам (самым круп-
ным на сегодняшний день в мире), страна
распродает свое основное достояние-
древесину из дождевых тропических лесов
Амазонии. Большинство людей не осо-
знают этого, но 50% дождевых лесов пла-
неты находятся только в трех странах-
Индонезии, Бразилии и Заире.
За три месяца 1988 г. вырублено 80000
квадратных миль амазонских лесов. По
площади это равно Дании, Бельгии, Швей-
царии и Австрии вместе взятым.
Сведение лесов, обогащающих кисло-
родом земную атмосферу, приобретает
еще большие масштабы в связи с исполь-
зованием подсечно-огневого способа ос-
воения земель. В результате 620 млн. т
угарного и углекислого газов, а также
твердых частиц ежегодно поступает в
воздух, усугубляя проблему глобального
парникового эффекта.
Сейчас в Бразилии начинают осозна-
вать взаимосвязь между чрезмерным при-
ростом населения, ухудшением окружа-
ющей среды и разумным использованием
природных ресурсов. Новая конституция
страны гарантирует планирование семьи
в числе основных прав человека.
Бразильское правительство отказалось
от своей традиционной политики поощ-
рения роста населения в конце 1970-х гг.,
когда неблагоприятное влияние перенасе-
ления на национальную экономику и ок-
ружающую среду стало очевидным. В
1980 г. президент Жуан Баптиста Фигей-
реду признался в своей речи при вступ-
лении на пост: «Успех программ социаль-
ного развития в значительной степени
зависит от планирования семьи».
Правительство, раньше не решавшееся
стимулировать такое планирование из-за
противодействия католической церкви,
военных и некоторых националистов, не-
давно начало поддерживать его попытки
косвенно. Сегодня большинство подобных
6 2199
162
Ч. II. НАСЕЛЕНИЕ
услуг оказывается эффективной сетью
частных организаций. Недорогие ораль-
ные контрацептивы продаются в бразиль-
ских аптеках без рецепта (90% тех, кто
пользуется противозачаточными таблетка-
ми и презервативами, покупают их в
частных аптеках).
В результате рождаемость в Бразилии
снизилась. У женщин здесь теперь в сред-
нем чуть больше трех детей, тогда как
в 1960-х гг. было шесть. Сейчас 65% бра-
зильских супружеских пар контролируют
рождаемость, и контрацепция продолжа-
ет распространяться в сельских районах
страны. Например, на аграрном северо-
востоке страны противозачаточными сред-
ствами уже пользуются 53% замужних
женщин, тогда как в 1980 г. эта цифра
составляла всего 37%. Тем не менее, не-
смотря на такие обнадеживающие тен-
денции, в 1986 г. около половины забере-
меневших за последние пять лет женщин
признали свою последнюю беременность
нежелательной или незапланированной.
Интересно, что планированию семьи
противодействовали в Бразилии не толь-
ко церковь, но и левые политические
группировки. По-видимому, некоторые ра-
дикалы рассматривают продолжающееся
перенаселение с присущими ему нищетой
и дестабилизирующими эффектами как
важную предпосылку пропагандируемой
революции.
Если Бразилия собирается достичь
уровня простой воспроизводящей рожда-
емости к 2000 г. (цель нынешнего пра-
вительства), планирование семьи должно
охватить 74% супружеских пар страны.
Принимая во внимание широкое призна-
ние населением важности этой задачи и
усилия правительства, направленные на ее
решение, можно считать такую цель
вполне достижимой.
Вернер Форнос
Институт народонаселения
6
Решение проблемы народонаселения
Раздел
Учебные вопросы
I. УЛУЧШЕНИЕ ЖИЗНИ ЛЮДЕЙ . . . 164
А. Увеличение производства продуктов пита-
ния: успехи и трудности.....164
Б. Голод: проблема способности покупать
продукты питания..................168
В. Продовольственная помощь и «Крайне пе-
чальная теорема»..................170
Г. Экономическое развитие..........171
1. Крупномасштабные централизованные
проекты.........................171
2. Децентрализованные проекты-адекват-
ная технология..................172
3. Адекватная технология и сельское хо-
зяйство ........................173
1. Перечислите и опишите основные пути по-
вышения производства продуктов питания
в течение последних 40 лет. Почему каждый
из этих методов исчерпал свои возможно-
сти или близок к их исчерпанию?
2. Покажите, что «голод»-это проблема эко-
номического распределения, а не производ-
ства продуктов питания.
3. Расскажите, как продовольственная помощь
снижает производство продуктов питания
в слаборазвитых странах. Как называют
это явление? Почему помощь должна на-
правляться в основном на экономическое
развитие стран?
4. Назовите два основных типа помощи эко-
номическому развитию. Расскажите осо-
бенности каждого из них. Какова важней-
шая область, требующая развития?
И. СНИЖЕНИЕ РОЖДАЕМОСТИ ... 174
А. Лидеры слаборазвитых стран поддержи-
вают снижение рождаемости . . . 174
Б. Люди слаборазвитых стран хотят иметь
меньше детей..................175
В. Эффективность систем планирования
семьи, здравоохранения и образования
Пример. Чему учит опыт Бангладеш . . .182
Г. Дополнительные экономические стимулы
...............................178
Д. Поощрение планирования семьи и споры
вокруг абортов ................. 179
5. Перечислите и опишите факторы, способ-
ствующие снижению рождаемости. Каковы
три области, помощь в которых приводит
к более низкому ее уровню? Поддерживают
ли политические лидеры и/или граждане
слаборазвитых стран идею снижения рож-
даемости?
6. Расскажите о необходимости планирования
семьи, развития здравоохранения и обра-
зования в слаборазвитых странах. Что
включают в себя эти три направления? Как
каждое из них влияет на снижение рождае-
мости? Можно ли снизить рождаемость, не
прибегая к принудительным мерам?
7. Какие дополнительные стимулы были ис-
пользованы для снижения рождаемости в
Китае?
8. В каких трех ситуациях жизнь матери мо-
жет оказаться в опасности в случае про-
164
Ч. И. НАСЕЛЕНИЕ
Е. Технология контрацепции . . . . 180
Ж. Издержки на планирование семьи . .180
III. ДЕЙСТВИЯ, КОТОРЫЕ ВЫ МОЖЕТЕ
ПРЕДПРИНЯТЬ..............181
должения беременности? К каким послед-
ствиям может привести запрещение легаль-
ных абортов? Как это может повлиять на
других малолетних детей в семье?
9. Назовите и опишите новые разрабатывае-
мые контрацептивы.
10. Противопоставьте наращивание вооруже-
ний и стабилизацию народонаселения как
методы обеспечения устойчивого будуще-
го. Сравните денежные средства, идущие на
вооружения и на программы планирования
семьи. Каким может быть экономически
эффективный метод достижения устойчи-
вого развития?
11. Перечислите и обсудите Ваши действия,
способствующие достижению устойчивого
народонаселения Земли.
Обнищавший народ, отчаянно стре-
мясь выжить, будет истощать окружа-
ющую среду, а истощенная среда в свою
очередь сможет поддерживать только
лишь нищенское существование людей.
Чтобы разорвать этот порочный круг,
необходимо стремиться к: (1) улучшению
жизни людей, (2) снижению рождаемости,
(3) защите окружающей среды.
Улучшение жизни людей
Увеличение производства
продуктов питания:
успехи и трудности
Первая и основная предпосылка улуч-
шения условий жизни людей - обеспечение
каждому полноценного питания. Без это-
го все остальные факторы теряют зна-
чение. Около 200 лет назад (1798 г.), когда
людей на планете было менее одного
миллиарда, английский экономист Томас
Мальтус сделал вывод, что народонасе-
ление увеличивается в геометрической
прогрессии, как показано на рис. 5-1,17,
тогда как объем сельскохозяйственного
производства, зависящий от площади па-
хотных земель, ограничен. Он же пред-
сказал ожидающий человечество (при
отсутствии контроля за его численностью)
катастрофический голод, так как прирост
народонаселения опережает прирост сель-
скохозяйственной продукции. Поскольку
с тех пор численность человечества про-
должает быстро увеличиваться, многие
присоединились к этой точке зрения.
Однако, несмотря на шести-семикрат-
ное увеличение народонаселения, процент
людей, страдающих от недоедания или
голода (10-20%), в настоящее время, ве-
роятно, не выше, чем 200 лет назад. Зна-
чит, расширение сельскохозяйственного
производства не отстает от роста народо-
населения и даже опережает его, особенно
после второй мировой войны, когда с на-
чалом демографического взрыва были
предприняты огромные усилия для увели-
чения производства продовольствия. Как
видно из рис. 6-1, они оказались успеш-
ными; производство продуктов питания
в последние десятилетия опережяли рост
населения как развитых, так и (с не-
сколькими исключениями) развивающих-
ся стран. С 1950 по 1984 г. производство
зерна в мире (основного источника пищи
для человека и корма для скота) возросло
примерно в 2,6 раза (с 624 млн. до
1645 млн. т в год), опередив увеличение
народонаселения на 40%. В развитых
странах, особенно в США, это привело
к образованию огромных излишков про-
довольствия, которые раздаются или про-
даются по низким ценам нуждающимся
нациям.
В настоящее время население мира
увеличивается примерно на миллион че-
6. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ
165
Рис. 6-1. Производство продуктов питания
и динамика народонаселения в развитых
и развивающихся странах (с разрешения из
S. Wartman, R.W. Commings, Jr, То Feed This
World, Baltimore: Johns Hopkins University
Press, 1978. По данным Службы экономических
исследований Сельскохозяйственного департа-
мента США)
ловек каждые четыре дня (90 млн. в год) -
быстрее, чем когда бы то ни было. Смо-
жет ли сельскохозяйственное производ-
ство расти достаточно быстро, чтобы
прокормить всех людей?
Увеличение продовольственных ресур-
сов в последние 40 лет обусловлено глав-
ным образом следующим:
1) освоением новых пахотных земель;
2) ростом использования удобрений;
3) развитием орошения;
4) ростом использования пестицидов;
5) заменой сортов зерновых на новые,
урожайность которых при соответству-
ющем удобрении и поливе вдвое или даже
втрое выше.
По мнению многих сельскохозяйствен-
ных экспертов, дальнейшее увеличение
продукции с помощью этих мер исчер-
пало свои возможности и местами при-
вело к неустойчивой ситуации.
Земельные площади, отведенные под
производство зерна. С 1950 по 1981 г.
площадь под зерновыми культурами уве-
личилась на 24%, но большая часть этих
земель сильно подвержена эрозии или
аридизации, и устойчивое земледелие на
них невозможно. Значительная доля этих
пашен сейчас забрасывается, так как эро-
зия или истощение водных ресурсов сде-
лали их неплодородными. Или же их
оставляют под залежь, чтобы сохранить
от деградации. Кроме того, часть сель-
скохозяйственных земель была отчуждена
под сооружение жилья, предприятий и
дорог. По этим причинам и из-за от-
сутствия новых пригодных для возделы-
вания земель с 1981 по 1988 г. общая
площадь под зерновыми уменьшилась
почти на 7%, и эта тенденция, похоже,
сохраняется.
Гораздо больший вклад в увеличение
продукции вносит повышение урожайно-
сти. Она растет при использовании оро-
шения, удобрений, пестицидов и более
урожайных сортов. Но и эти возможности
небеспредельны.
Орошение. С 1950 по 1980 г. площадь
орошаемых земель увеличилась почти в
2,6 раза. Она еще продолжает расширять-
ся, но гораздо медленнее из-за недостатка
водных ресурсов (рис. 6-2). Печальнее то,
что многие существующие сейчас ороси-
тельные системы неперспективны из-за
истощения запасов грунтовых вод. Кроме
того, более чем на трети орошаемых зе-
мель урожай страдает из-за заболачива-
ния и засоления почв - последствий пло-
хого дренажа (см. гл. 8), и крестьяне
вынуждены забрасывать эти угодья.
Удобрение. Биогены часто относятся
к факторам, лимитирующим рост расте-
ний. Поэтому внесение в почву дополни-
166
Ч. II. НАСЕЛЕНИЕ
Рис. 6-2. Крестьянин, пытаясь орошать пусты-
ню, столкнулся с нехваткой воды и сильной
почвенной эрозией. Эту землю придется
оставить (фото Сельскохозяйственного де-
партамента США, Служба охраны почв)
тельных количеств азота, фосфора, калия
и других биогенов (удобрений) увеличи-
вает урожай, но только до определенного
оптимума. С 1950 по 1984 г. использо-
вание удобрений возросло примерно в
9 раз. Каждая их тонна давала сначала
15-20 дополнительных тонн зерна. Од-
нако сейчас обеспеченность культур био-
генами близка к оптимальной, и ее повы-
шение не приведет к заметному росту
урожайности. На практике нерентабельно
удобрять почву для получения макси-
мальной продукции; экономически оправ-
данно увеличивать урожай, пока выгода
от этого превышает затраты на использо-
вание удобрений. Кроме того, при вы-
сокой их концентрации растения более
чувствительны к поражению насекомыми
и другими вредителями, а вымывание
удобрений из почвы приводит к загрязне-
нию вод. Таким образом, намного по-
высить урожай таким способом, похоже,
уже не удастся.
Пестициды. Появившиеся после вто-
рой мировой войны химические пестици-
ды, резко повысив эффективность борьбы
с вредителями, привели к заметному по-
вышению урожайности. Однако новых
успехов с тех пор не отмечено и даже
наблюдается сдача некоторых позиций,
так как вредители вырабатывают устой-
чивость к каждому новому пестициду.
К тому же идет борьба за сокращение
использования пестицидов ввиду их по-
бочного воздействия на здоровье людей
и окружающую среду. Есть успехи в раз-
работке естественных средств контроля за
вредителями, безопасных для окружающей
среды, но они вряд ли приведут к увели-
чению урожая выше уровня, достигнутого
с помощою традиционных ядохимикатов.
Высокоурожайные сорта. В 1960-е гг.
генетики растений вывели новые сорта
пшеницы и риса, которые при оптималь-
ном количестве удобрений и соответ-
ствующем поливе давали урожай вдвое-
втрое выше традиционного. Когда эти
сорта распространились по всему миру,
производство зерна стремительно воз-
росло (рис. 6-3). Произошла так назы-
ваемая зеленая революция. Эти высоко-
урожайные сорта остаются основой сель-
скохозяйственного производства. Однако
сейчас основной потенциал такого пути
его расширения исчерпан, и генетики
6. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ
167
Рис. 6-3. Сравнение старого сорта пшеницы
(А) (фото Phi Farnas/Photo Researchers) с
новым короткоостым сортом (Б) (фото
J. Latta/Photo Researchers). Первые более
урожайные короткоостые сорта были вы-
ведены под руководством Нормана Борлоуга.
Это достижение возвестило о начале «Зеленой
революции»
растений признаются, что у них нет в за-
пасе «супер-высокоурожайных» сортов
для нового рывка вперед. Даже прогресс
генной инженерии, обещающей ввести ге-
ны азотфиксации в пшеницу и кукурузу,
позволит фермерам лишь снизить расхо-
ды на удобрения, но не повысит урожай-
ности.
Климат со времен второй мировой
войны до 1980 г. был исключительно ста-
бильным и благоприятным для сельского
хозяйства в большинстве областей мира.
Затем в 1980, 1983 и 1988 гг. суровые
засухи резко ударили по урожаю. В
1988 г. в США было потеряно 38% уро-
жая кукурузы - ущерб беспрецедентный.
Хорошо, что мир и особенно сами США
смогли воспользоваться огромными на-
копленными запасами. После покрытия
возникшего дефицита зерна его остава-
лось на 41 день, что считается опасно
низким уровнем. Безопасность гаранти-
рует примерно стодневный запас, т. е.
урожай одного сезона. Если ситуация
1988 г. повторится до пополнения ре-
зервов, на что потребуется по крайней
мере три года, будет действительно тя-
жело. Используя компьютерные модели,
некоторые авторитетные климатологи
предсказывают учащение таких засух в
связи с потеплением климата, вызванным
парниковым эффектом (см. гл. 13). В
лучшем случае климат мог бы вернуться
к «идеальному» состоянию 1950-1980 гг.
Учитывая его возможные изменения, рас-
считывать на повышение сельскохозяй-
ственной продукции не приходится.
В целом производство зерна на душу
населения в Африке после 1975 г. уже
упало ниже уровня 1950 г. (рис. 6-4, А).
В масштабе всей планеты оно сокраща-
лось с 1984 по 1988 г., причем в 1987
и 1988 гг. (последняя доступная статисти-
ка) зарегистрировано абсолютное сниже-
ние мирового урожая.
Вылов рыбы в океанах существенно не
увеличился с 1970 г., что говорит о су-
ществующих и здесь пределах (рис. 6-4, Б).
В условиях прекращения роста или паде-
ния производства продуктов питания при
одновременном увеличении народонасе-
ления примерно на 90 млн. человек в год
168
Ч. И. НАСЕЛЕНИЕ
Рис. 6-4. А. В связи со стремительным ростом
населения Африки среднедушевое производст-
во зерна в 1950-е и 1960-е гг. увеличилось здесь
незначительно. Начиная с 1975 г. наблюдается
тенденция к его снижению (по: State of the
World 1985, State of the World 1987, Copyright
Worldwatch Institut). Б. Моря не относятся
к неисчерпаемым источникам продуктов пита-
ния. Мировые уловы с 1970 г. возросли
незначительно, несмотря на увеличение
промыслового усилия. Значит, уже сейчас
наблюдается перелов морской рыбы, по
крайней мере ее традиционных видов (данные
Национальной службы морского рыболовства,
Национального управления по исследова-
ниям океана и атмосферы, Департамента
торговли США)
предостережения Мальтуса вновь стано-
вятся актуальными.
Голод: проблема
способности покупать
продукты питания
Обеспечение полноценного питания
людей требует не только определенного
среднедушевого производства продуктов.
Проблема голода и недоедания существу-
ет, несмотря на его увеличение в 1960-е
и 1970-е гг. и огромные излишки урожая
в США. Производство продовольствия-
только полдела, люди должны иметь
возможность купить его. Голод вызван
отсутствием денег, а не пустотой при-
лавков.
Франсес Мур Лапп в своей книге
«Во-первых, пища» (Frances Moor Lappe,
“Food First”) отмечает, что в мировой
системе сельского хозяйства множество
слабых мест. Огромным количеством луч-
ших сельскохозяйственных угодий в раз-
вивающихся странах распоряжаются бо-
гатые землевладельцы, выращивая на них
дающие большие прибыли экспортные
культуры-сахарный тростник, кофе, чай,
каучуконосы, хлопок, бананы и табак.
Так, по данным 1985 г. в Бразилии 2%
собственников владеют 60% пахотной
земли, занятой такими культурами или
просто незасеянной, тогда как у 70% де-
ревенских семей земли мало или нет
вообще. Это - наследие колониализма
XIX в. Если бы аграрные реформы пере-
дали землю в руки крестьян, на ней
производилось бы продовольствие, да-
ющее прибыль и пищу сельской бедноте.
Кроме того, существует такой фактор,
как «высокий трофический уровень» на-
шего питания. Большинство производи-
мого зерна, которое могло бы потреблять-
ся людьми непосредственно, идет на корм
скоту. При превращении в мясо теряется
порядка 90% пищи (см. гл. 2). Подсчи-
тано, что, если бы люди в развитых стра-
нах сократили или прекратили потребле-
ние мяса, заменив его зерновыми про-
дуктами (это типично для стран Третьего
мира), появился бы избыток продоволь-
6. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ
169
Рис. 6-5. В связи с более высокой покупатель-
ной способностью основной объем сельско-
хозяйственной продукции, включая тропи-
ческие плоды, мясо откармливаемых зерном
бычков и многие другие деликатесы, достается
развитым странам, в то время как беднота
развивающихся стран страдает от неполноцен-
ного питания и голода
ствия, достаточный для питания еще
2-3 млрд, людей.
Итак, даже при ограничении или сни-
жении производства зерна сельское хо-
зяйство в принципе способно в течение
еще некоторого времени прокормить рас-
тущее народонаселение. Проблема в том,
что благодаря своей покупательной спо-
собности высокоразвитые страны факти-
чески отнимают пищу у голодных.
Естественно, фермеры будут выращивать
и продавать продукты, приносящие им
наибольшую прибыль. Поскольку люди
заплатят шесть долларов за фунт вырез-
ки, производитель мяса сможет потра-
тить на зерно, которым он кормит скот,
больше, чем голодный позволит себе
израсходовать на пищу для самого себя.
Аналогичным образом, пока богатые
нации в состоянии покупать дорогосто-
ящие непродовольственные культуры, а
крупные землевладельцы распоряжаются
их производством, земля вряд ли будет
давать больше пищи. Покупательная спо-
собность развитого мира способствует
тому, что непропорционально большое
количество сельскохозяйственной продук-
ции, минуя бедных, устремляется в руки
богатых (рис. 6-5).
Спады урожаев зерна, если они возник-
нут в будущем, приведут к повышению
цен на продовольствие и поставят еще
больше людей на грань голода. Пока эта
проблема связана скорее с особенностью
экономического распределения, чем с не-
способностью человечества производить
достаточно продуктов питания.
170
Ч. 11. НАСЕЛЕНИЕ
Продовольственная помощь
и «Крайне печальная теорема»
После второй мировой войны много-
численные гуманитарные усилия направ-
лялись на повсеместное предотвращение
голода. США стали мировым лидером
бесплатного распределения излишков
продовольствия или продажи их по низ-
ким ценам. Благодаря этим усилиям ряд
вспышек голода был ликвидирован или
предотвращен вовсе. Благородство таких
попыток бесспорно, но регулярная продо-
вольственная помощь, смягчающая по-
следствия хронического недоедания в раз-
вивающихся странах, оказалась несостоя-
тельной. С. Уортман и Р. Каммингз пи-
шут в своей книге «Накормить этот мир»
(S. Wortman, R. Cummings, “То Feed This
World”): «Щедрая раздача еды развитыми
странами в их ли собственных интересах
(избавление от излишков пищи) или под
лозунгом справедливого ее распределе-
ния, вероятно, сильнее подрывает сель-
скохозяйственное развитие отсталых
стран, чем любой другой фактор».
Это объясняется тем, что люди не
будут платить за продукты питания боль-
ше необходимого минимума. Между тем
снабжение из-за границы бесплатным или
более дешевым, чем на родине, продо-
вольствием подрывает местную экономи-
ку: продукция местных фермеров должна
конкурировать со стоящими гроши им-
портными товарами. Когда производите-
ли не могут получить прибыль, они пре-
кращают производство и в конце концов
пополняют армию неимущих. Цикл на
этом не останавливается: люди, продавав-
шие товары фермеру, также страдают,
поскольку тот теряет покупательную спо-
собность. В конечном итоге рушится вся
местная экономика. Следовательно, бес-
платная еда, несмотря на все благие наме-
рения, часто усугубляет проблемы нище-
ты и голода, хотя направлена на их разре-
шение. Между тем население продолжает
расти, и трудности увеличиваются. В
1957 г. экономист Кеннет Боулдинг (Ken-
neth Boulding) описал этот процесс, назвав
его «Крайне печальной теоремой».
Даже если США откажутся от раздачи
пищи, ее излишки все равно ухудшают
ситуацию. Расходы на ценовую поддерж-
ку производства основных продуктов в
США, фактически субсидирующую полу-
чение излишков, возросли примерно с
6 млрд, долларов в 1955 г. до более
25 млрд, долларов в 1987 г. Эти излишки
выбрасываются на международный ры-
нок по ценам ниже их себестоимости во
многих развивающихся странах. Таким
образом, на внешнем рынке им дешевле
покупать продукты питания, чем на внут-
реннем. Их собственные фермеры разо-
ряются и пополняют ряды нищих.
Правительства некоторых развиваю-
щихся стран сами завели себя в ловушку
«Крайне печальной теоремы», проводя
неадекватную внутреннюю политику. Эта
проблема особенно очевидна в недавно
провозгласивших независимость государ-
ствах Африки, лидеры которых устанав-
ливают предельные цены на продукты
питания, пытаясь завоевать и сохранить
поддержку со стороны многочисленного
городского населения. Такая политика
делает производство продовольствия не-
рентабельным и разоряет фермеров. В ре-
зультате нехватка продуктов питания по-
стоянно увеличивается. Это к тому же
способствует миграции крестьянских се-
мей в города, как описано в гл. 5.
Проблема усугубляется неизбежным
ухудшением окружающей среды и дегра-
дацией природы. Бедные фермеры в борь-
бе за выживание вынуждены усиливать
нагрузку на пастбища, отказываться от
почвосберегающего севооборота, выру-
бать леса, распахивать крутые склоны.
Все это ведет к сильной почвенной эрозии.
Эрозия разъедает почву, та становится все
менее и менее плодородной, пока не пре-
вращается в бесплодную, заброшенную
пустыню (см. гл. 7). Как отмечалось вы-
ше, это основной фактор, ведущий сейчас
к потере сельскохозяйственных угодий.
Итак, необходимо обратить основное
внимание на экономическое развитие
стран, решающее проблему бедности, и на
снижение рождаемости. С голодом будет
покончено, когда ограниченное население
страны сможет покупать пищу в доста-
точном количестве и по цене, позволяю-
6. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ
171
щей фермерам поддерживать плодородие
почвы, т. е. обеспечивающей устойчивое
развитие сельского хозяйства.
Экономическое развитие
Давно признано, что содействие эконо-
мическому развитию отсталых стран
выгодно всем. Во-первых, улучшение жиз-
ни бедноты-гуманная цель, ценная сама
по себе и приносящая моральное удовлет-
ворение. Во-вторых, экономическое раз-
витие-фактор снижения рождаемости,
так как индустриализация и урбанизация
вынуждают людей уменьшать количество
детей в семье. Наконец, улучшение благо-
состояния в развивающихся странах рас-
ширяет рынок сбыта, следовательно, спо-
собствует дальнейшему развитию и про-
цветанию народов развитых стран.
После второй мировой войны про-
мышленно развитые государства более
или менее успешно стимулировали эко-
номический прогресс отсталых наций,
оказывая им финансовую и техническую
помощь. Достигнутые результаты будут
подытожены ниже. Следует проанализи-
ровать два типа программ развития:
крупномасштабные централизованные и
децентрализованные проекты.
Крупномасштабные
централизованные проекты
Примерами таких проектов служит
строительство гидроэлектростанций,
атомных электростанций, современных
промышленных предприятий, больниц и
шоссейных дорог. У этих проектов сле-
дующие преимущества: ими сравнительно
легко управлять; спонсорам приходится
контактировать лишь с ограниченным
кругом лиц в стране, получающей по-
мощь; достигаются вполне ощутимые ко-
нечные результаты, вызывающие гор-
дость как у спонсоров, так и у заказчиков.
Эти проекты могут существенно уве-
личить валовой национальный продукт
(ВНП) развивающихся стран, так что
внешне их благосостояние растет. К со-
жалению, такое впечатление бывает об-
манчивым. Слишком часто жизнь боль-
шинства населения меняется мало. Так,
новая скоростная автострада создает оче-
видные удобства для владельцев автомо-
билей, но одновременно и дополнитель-
ную опасность для множества людей, вы-
нужденных ходить пешком или ездить на
телегах. Бедняк не может позволить себе
дорогостоящее лечение в современной
больнице или заплатить за электроэнер-
гию, вырабатываемую новой ГЭС.
Во многих случаях эти централизован-
ные проекты даже усугубляют общую бед-
ность. Современная текстильная фабрика,
например, дает некоторое количество хо-
рошо оплачиваемых рабочих мест, но
оставляет без хлеба сотни ткачей-надом-
ников. Эта проблема встает особенно
остро в сельском хозяйстве. В промыш-
ленно развитых странах обычно думают,
что бедные нации станут процветающи-
ми, если модернизируют его с помощью
современного машинного парка. Однако
у множества крестьян слишком мелкие
наделы, на которых невозможно исполь-
зовать высокопроизводительные тракто-
ра и другую технику. Она попадает в руки
и без того богатых фермеров с их обшир-
ными плантациями, дает им возможность
увольнять работников, снижать затраты
и приобретать еще больше земли, увели-
чивая таким образом число безработных
и усугубляя общую бедность населения.
В то же время механизация обычно не
увеличивает производства продуктов в
развивающихся странах. Наивысшая уро-
жайность достигается на мелких участках,
где тщательная обработка земли и сбор
урожая проводятся вручную. Механиза-
ция подрывает разнообразие и равномер-
ность снабжения пищевыми продуктами.
Когда множество независимых крестьян
обрабатывают маленькие наделы, выра-
щиваемые культуры, сроки сева и уборки
у каждого из них свои, особенно в тропи-
ках, где для земледелия почти нет сезон-
ных ограничений. Такие фермеры продают
и покупают свежую продукцию на огром-
ных открытых рынках (рис. 6-6). При
прямом товарообмене фермер - потреби-
тель нет необходимости в посредниках
и складах. Когда же хозяйство механизи-
ровано, выращивать разные сорта невы-
172
Ч. IL НАСЕЛЕНИЕ
Рис. 6-6. Рынок под открытым небом в
Эквадоре. Множество мелких, независимых
хозяев доставляют сюда свою сельско-
хозяйственную продукцию и ремесленные
изделия для продажи. Такая система торговли
поощряет индивидуальный труд и приводит
к огромному разнообразию товаров (фото
автора)
годно, а весь урожай убирается одновре-
менно. Таким образом, и пищевые, и эко-
номические преимущества местного рын-
ка исчезают, что отражается прежде всего
на бедняках.
Но главное, слишком многие центра-
лизованные проекты дестабилизируют
сельское хозяйство. Например, ороситель-
ные системы, позволившие кратковре-
менно повысить урожайность, теперь при-
водят к забрасыванию земель из-за их
заболачивания, засоления или истощения
местных водных ресурсов (см. гл. 7). В
Африке бурение глубоких скважин для
лучшего обеспечения скота водой позво-
лило населению увеличить его поголовье,
но привело к деградации злаковников
из-за перевыпаса.
Наконец, широкомасштабные проекты
очень дорогостоящи и оплачиваются за
счет займов, поступающих также от раз-
витых стран. Это ведет к долговому кри-
зису, описанному в гл. 5. Основные фи-
нансирующие организации, включая Все-
мирный банк и Международный валют-
ный фонд, начали сейчас более тщательно
рассматривать просьбы о займах, учиты-
вая интересы устойчивого развития.
Децентрализованные проекты-
адекватная технология
В начале 1960-х гг. проблемы, прису-
щие крупным централизованным проек-
там, стали очевидны. Было признано, что,
действительно, облегчить жизнь Третьего
мира можно лишь с помощью проектов
такого масштаба, которые принесут не-
посредственную и устойчивую выгоду
бедным слоям общества. Наиболее общее
название этого нового подхода - адекват-
ная технология.
6. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ
173
Перечень особенностей и несколько
примеров наилучшим образом объяснят
концепцию адекватной технологии.
1. Непосредственное удовлетворение
экономических и социальных нужд заказ-
чика без нарушения существующей соци-
альной структуры.
2. Нетребовательность к уровню обу-
чения и мастерства. Использование ме-
тодов, которым один мог бы обучить
других.
3. Использование обильных и дешевых
местных ресурсов.
4. Отсутствие потребности в дорого-
стоящих, централизованно управляемых
стройплощадках. Опора на существую-
щий жилой фонд, фермы и мелкие мага-
зины.
5. Возможность для многих людей ис-
пользовать собственные таланты и ум,
поддержка их творческих способностей,
развитие их уверенности в себе.
Вот несколько примеров.
Ручной ткацкий станок или текстильная
фабрика? Итак, строительство современ-
ной ткацкой фабрики-неадекватный под-
ход, потому что в результате многие мест-
ные жители становятся безработными. И
напротив, внедрение модернизированного
ручного ткацкого станка позволяет жен-
щинам производить больше тканей на
дому, где они могут одновременно забо-
титься о детях. Социальная структура не
нарушается, а у ткачих увеличивается за-
работок.
Жилища из самодельных кирпичей или
многоквартирные комплексы? Неадекват-
ная технология позволяет создать рабо-
чие места, когда правительство планирует
снести городские трущобы и построить на
их месте крупные многоквартирные комп-
лексы. Это значительно изменит социаль-
ную структуру. Адекватная же технология
подразумевает обучение людей производ-
ству кирпичей из местной глины. Эта
методика быстро распространяется, и
вскоре практически каждая семья сможет
изготовить кирпич и построить себе про-
стое, но вполне приличное жилище.
Более эффективные дровяные печи.
Многие люди в слаборазвитых странах
готовят пищу на дровах, и женщины тра-
тят большую часть дня, собирая хворост
и оголяя при этом почву. Внедрение более
экономичных дровяных печей, потребля-
ющих в два раза меньше дров, облегчает
ситуацию. Это еще один пример адекват-
ной технологии.
Адекватная технология
и сельское хозяйство
Нигде адекватную технологию нельзя
применить с большим успехом, чем в раз-
витии устойчивого сельского хозяйства.
Существует множество способов утили-
зации и внесения отходов в почву с целью
повышения ее плодородия и защиты от
эрозии. Вот несколько примеров:
1) использование мульчированных от-
ходов для сохранения влаги, защиты от
эрозии, улучшения структуры почвы;
2) внедрение поликультур - выращива-
ние нескольких культур одновременно на
одном участке таким образом, чтобы
сбор урожая одной из них и посев другой
шли одновременно, не оставляя почву
обнаженной;
3) анаэробные перегниватели для пере-
работки сельскохозяйственных отходов и
производства метана, применяемого для
приготовления пищи (широко распрост-
ранены в Китае);
4) использование небольших прудов,
удобряемых сельскохозяйственными от-
ходами, для интенсивного рыбоводства
(широко распространены в Китае);
5) посадка древесных пород, одновре-
менно защищающих почву от эрозии,
приносящих съедобные плоды и служа-
щих источником дров.
Поскольку эти технологии повышают
и плодородие почвы, и доходы многих
крестьян, они способствуют развитию
местной экономики в целом, так как сель-
чане смогут покупать больше товаров,
производимых горожанами, чье благосо-
стояние улучшается, и весь цикл роста
уровня жизни неоднократно повторится.
Однако концепция адекватной техно-
логии не лишена проблем. Главная из
них-то, что населению развивающихся
стран она может казаться попыткой за-
крыть перед ним двери в современный
174
Ч. II. НАСЕЛЕНИЕ
Рис. 6-7. Адекватная технология использует
местные материалы, навыки и труд для
улучшения жизни и доходов местного населе-
ния. На фотографии, сделанной в западной
Эфиопии, рабочие промывают зерно,
чтобы предохранить растения от болезней
(фото ООН)
индустриальный мир. Действительно,
здесь, вероятно, необходимо сочетание
централизованных проектов и адекватных
технологий. Один из примеров, который
обычно приводят,- постройка электро-
станций и создание сети энергоснабжения.
Они необходимы для экономического раз-
вития; без них людям будет просто недо-
ставать света, когда встанут вопросы об-
разования, чтения, учебы, освоения новых
технологий и профессий. Однако, о круп-
ном или о малом проекте идет речь,
теперь ясно, что прежде всего необходимо
обращать внимание на охрану окружаю-
щей среды, основных почвенных и водных
ресурсов, т. е. на перспективы устойчивого
развития.
Снижение рождаемости
Независимо от того, как идет эконо-
мическое развитие, все его успехи, оче-
видно, будут сведены на нет ростом чис-
ленности народонаселения, поскольку до-
ход приходится делить между все боль-
шим числом людей. Экономическое раз-
витие само по себе не ведет к падению
рождаемости, когда она настолько высо-
ка, что в сущности исключает рост благо-
состояния. Необходимы непосредствен-
ные усилия, направленные на ее снижение.
Многочисленные исследования и опыт
последних двадцати лет показывают, что
рождаемость можно существенно снизить
с помощью адекватных мер в области
планирования семьи, здравоохранения и об-
разования вне зависимости от экономиче-
ской ситуации. Кроме того, за последние
годы значительно изменились и социаль-
ные предпосылки. По мере того как кри-
зис перенаселения становится все более
очевидным, в сознании и политических
лидеров, и граждан слаборазвитых стран
растут терпимость к программам плани-
рования семьи и заинтересованность в
них.
Лидеры слаборазвитых стран
поддерживают снижение
рождаемости
Более ста стран, на долю которых
приходится 95% населения планеты, сей-
час осуществляют программы планиро-
вания семьи, и их политические лидеры
уделяют этому вопросу все большее вни-
мание. В 1987 г. «Положение по стабили-
зации численности населения» было под-
писано 45 руководителями развивающихся
государств и представлено Конгрессу
США. В нем, в частности, говорится:
6. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ
175
«Глобальная деградация окружающей
среды, неравенство доходов и конфликт-
ная ситуация обусловлены в наше время
чрезмерным потреблением и перенаселе-
нием. Если беспрецедентный рост наро-
донаселения будет продолжаться, следую-
щие поколения лишатся полноценной пи-
щи, жилья, медицинского обслуживания,
природных богатств и надежды на хоро-
шую работу... Мы убеждены, что настало
время осознать необходимость прекраще-
ния в ближайшем будущем роста населе-
ния планеты и осуществлять в каждой
стране необходимую политику и програм-
мы, способствующие достижению этой
цели. Мы обращаемся к развитым стра-
нам и организациям с просьбой о более
активной поддержке демографических
программ в тех развивающихся странах,
которые нуждаются в подобной помощи».
Такое обращение к «странам-спонсо-
рам» за поддержкой не означает призна-
ния в собственной несостоятельности.
Программы планирования семьи на 75%
финансируются самими развивающимися
странами. Половина их населения моложе
20 лет, это в основном необразованные
бедняки. Охват демографическими про-
граммами именно этих людей, стреми-
тельно приближающихся к репродуктив-
ному возрасту, жизненно необходим и
требует помощи развитых стран.
Люди слаборазвитых стран
хотят иметь меньше детей
В наследство от аграрного прошлого
у людей в слаборазвитых странах сохра-
нилось желание заводить много детей, но,
сталкиваясь с бедностью и отсутствием
перспектив, они поняли, что лучше иметь
их меньше, чем уже родилось. Они оцени-
ли, что двое-трое здоровых детей скорее
обеспечат им спокойную старость и эко-
номическую поддержку, чем многочис-
ленное болезненное потомство. Это ос-
новной вывод широкомасштабного иссле-
дования, проведенного в 61 слаборазви-
той стране за период с 1972 по 1984 г.
Символично, что 50% опрошенных жен-
щин не хотят заводить больше детей,
а еще 25% предпочитают отсрочить свою
следующую беременность по крайней ме-
ре на два года.
Однако 60% этих «поумневших» рес-
понденток вообще не знают о существо-
вании служб планирования семьи, а 40%
знающих о них часто получали там не-
адекватную помощь. Часто эти учрежде-
ния расположены слишком далеко от
жилья клиентов, женщины слишком заня-
ты, чтобы их посещать, транспорт отсут-
ствует или слишком дорог. Таким обра-
зом, хотя использование контрацептивов
в некоторых развивающихся странах воз-
росло, уровень его продолжает оставаться
низким (рис. 6-8).
Жители развитых стран обычно «ав-
томатически» получают основные знания
о планировании семьи и употреблении
контрацептивов. Важно осознать, что ог-
ромная масса молодежи в развивающихся
странах необразована, лишена даже на-
чальных навыков чтения и письма. Эти
люди не имеют самого общего представ-
ления о процессе размножения, а тем
Рис. 6-8. Тенденции использования контра-
цептивов в некоторых странах в 1970-1983 гг.
Хотя в целом оно возрастает, в большинстве
развивающихся стран его уровень остается
крайне низким. Следовательно, существуют
значительные перспективы снижения рождае-
мости с помощью программ планирования
семьи и снабжения населения контрацептивами
(World Development Report 1984. Copyright 1984
by the International Bank for Reconstruction
and Development/The World Bank. С раз-
решения Oxford University Press, Inc.)
176
Ч. II. НАСЕЛЕНИЕ
Годы учевы жены
0 Ю
Рис. 6-9. Зависимость суммарного коэффи-
циента рождаемости от числа лет обучения
женщин в школе для некоторых развивающих-
ся стран. Всего несколько лет начального
образования достаточно для значительного
снижения рождаемости. Кажущееся ее увеличе-
ние в некоторых случаях при сравнении групп
«О» и «1 -3» года обучения, возможно,
указывает на то, что в первую группу включено
больше женщин, не способных к деторождению
по физическим или иным причинам (World
Development Report 1984. Copyright 1984 by the
International Bank for Reconstruction and
Development/The World Bank. С разрешения
Oxford University Press, Inc.)
более о контроле рождаемости или о
применении контрацептивов. Поэтому
крайне важно обеспечить их нужной ин-
формацией и противозачаточными сред-
ствами еще до того, как они станут поло-
возрелыми.
Эффективность систем
планирования семьи,
здравоохранения
и образования
В настоящее время деятельность служб
планирования семьи идет по следующим
направлениям.
1. Консультации семейных пар и оди-
ноких клиентов по вопросам биологии
размножения, по отрицательным и поло-
жительным особенностям различных
методов контрацепции, позволяющих из-
бежать нежелательной беременности.
2. Предоставление на выбор противо-
зачаточных средств.
3. Консультации по вопросам здо-
ровья матери и ребенка в до- и послеро-
довой периоды. Упор на полноценное пи-
тание и санитарно-гигиенические меры.
4. Ознакомление с преимуществами
для здоровья перерывов между беремен-
ностями. Упор на выкармливание грудью
как на идеальном источнике полноцен-
ного питания и на естественном способе
контрацепции, поскольку у кормящих ма-
терей обычно не бывает овуляций. Корм-
ление грудью и связанное с ним контра-
цептивное действие могут длиться до до-
стижения ребенком возраста 2,5-3 лет.
Такие интервалы между беременностями
способны снизить общую рождаемость
наполовину.
5. Поскольку ни один метод контра-
цепции не дает полной гарантии, нежела-
тельные беременности возможны, несмот-
ря на все старания их предотвратить. При
этом женщинам рекомендуется обратить-
ся за помощью к службе планирования
семьи. Аборты хотя и не желательны, и не
поощряются, должны быть разрешены
как крайняя мера и как средство борьбы
с нелегальными абортами, к которым
женщины в противном случае могут при-
бегать, подвергая опасности свою жизнь
или здоровье, а также будущее уже рож-
денных детей, которые останутся без ухо-
да, если их мать заболеет или умрет.
Отрицательных последствий для женщин
при официальных абортах практически не
бывает.
6. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ
177
8
7
Эфиогп
Непале»
б
5000
6000
1000
0
2000 3000 4000
Доход на душу населения, дол л. США
£
5
4
3
2
Рис. 6-10. Зависимость рождаемости от дохо-
дов в развивающихся странах в 1972 и 1982 гг.
Наблюдается корреляция между ростом дохо-
дов и снижением рождаемости, но она слабая.
Дополнительными факторами снижения могут
быть улучшение систем образования, здраво-
охранения и планирования семьи (World
Development Report 1984. Copyright 1984 by the
International Bank for Reconstruction and
Development/The World Bank. С разрешения
Oxford University Press, Inc.)
Здравоохранение составляет часть
программ планирования семьи или очень
тесно связано с ними. В промышленных
странах максимальная охрана здоровья
матери и ребенка считается аксиомой.
Совершенствование системы здравоохра-
нения мы видим прежде всего в более
эффективной борьбе с заболеваниями лю-
дей старшего возраста и увеличении про-
должительности их жизни. Но в развива-
ющихся странах ситуация совершенно
иная. Слабое здоровье и смертность
обычны среди матерей и детей и часто
связаны с плохим питанием и инфекцион-
ными заболеваниями в результате анти-
санитарии и несоблюдения гигиенических
правил. Если подходить к этим пробле-
мам с чисто медицинской точки зрения,
важно сделать упор на увеличение интер-
валов между беременностями. Таким об-
разом, забота о здоровье, особенно мате-
ри и ребенка, связана с планированием
семьи и помогает достичь поставленные
им цели. Когда семейные пары растят
здоровых, крепких детей, желание заво-
дить более двух или трех потомков резко
снижается. Эту ситуацию подробнее рас-
сматривает пример в конце главы.
К сходному результату приводит и
образование. Когда культурный уровень
родителей быстро растет, они видят, что
образованному человеку легче добиться
успеха в жизни и обеспечить их спокой-
ную старость. Посещение детьми школы
требует соответствующей одежды, каран-
дашей, бумаги и многого другого. Таким
образом, бедные родители оказываются
перед проблемой распределения своих
ограниченных средств. Они убеждаются,
что стремление дать детям образование
идет в разрез с мечтой о большом их
количестве, и делают соответствующие
выводы.
178
Ч. II. НАСЕЛЕНИЕ
Рис. 6-11. Суммарный коэффициент рождае-
мости в Таиланде снижается. Эту примечатель-
ную тенденцию последних 30 лет связывают
в основном с активной пропагандой и бесплат-
ным распространением контрацептивов. Раз-
личные кривые на графике соответствуют
данным из разных источников, но отражаемые
ими закономерности сходны (Population
Reference Bureau Inc. и Thailand Demographic
and Health Survey 1987)
Об университетах здесь речь не идет.
Неграмотные в некоторых развивающих-
ся странах составляют 80% населения.
Простое обучение людей, особенно жен-
щин, читать и считать крайне необходи-
мо, чтобы они могли следовать письмен-
ным рекомендациям по охране здоровья,
питанию и контрацепции, распространя-
емым службами планирования семьи. Од-
на же из самых серьезных трудностей,
с которой сталкиваются эти службы,- низ-
кий уровень грамотности.
Кроме того, доступность образования
для женщин открывает перед ними новые
возможности, позволяя стремиться не
только к вынашиванию детей. Из рис. 6-9
видно, что снижение рождаемости корре-
лирует с продолжительностью обучения
женщин, хотя речь в этом исследовании
шла только о школе-семилетке. Рождае-
мость за период 1972-1982 гг. значитель-
но снизилась во многих развивающихся
странах даже без заметного улучшения их
экономического положения (рис. 6-10).
Это связывают с деятельностью служб
планирования семьи.
Хороший пример-Таиланд, азиатская
страна с населением 55 млн. человек.
Суммарный коэффициент рождаемости
здесь снизился с более 7 в 1960 г. до
примерно 2,4 в настоящее время. Это
одно из самых низких значений среди
развивающихся стран (рис. 6-11). Успех
был достигнут в значительной степени
благодаря простой рекламе и бесплатно-
му распространению противозачаточных
средств. Процент половозрелых таиланд-
цев, использующих современные, эффек-
тивные методы контрацепции, один из
самых высоких в мире; он примерно та-
кой же, как в США и многих европейских
странах.
Итак, опыт показывает, что развитие
службы планирования семьи, забота о
здоровье матери и ребенка, а также успехи
народного образования приводят к зна-
чительному снижению рождаемости при
небольших затратах. Простое расширение
доступности этих благ цивилизации мог-
ло бы быть исключительно рентабельным
способом сдерживания роста народонасе-
ления.
Дополнительные
экономические стимулы
Приведенные выше результаты иссле-
дований и опыт Таиланда показывают,
что рождаемость в большинстве слабо-
развитых стран можно значительно сни-
зить (с нынешнего среднего уровня 4,8 до
3 детей на семью) просто с помощью
системы планирования семьи. Однако не-
которые страны дополняют ее различны-
ми экономическими стимулами и/или
запретами. Типичный пример - Китай, са-
мая крупная развивающаяся страна с бо-
лее чем миллиардным населением. Не-
сколько лет назад ее лидеры осознали, что
пока рост населения не контролируется,
будущее развитие проблематично. Была
поставлена цель-семья с одним ребен-
ком. Чтобы достичь ее, разработана про-
грамма поощрений и наказаний. К пер-
вым относятся:
1) оплачиваемый отпуск женщинам,
перенесшим операции, снижающие рож-
6. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ
179
даемость, в частности стерилизацию или
аборт;
2) ежемесячное пособие семье, имею-
щей только одного ребенка;
3) преимущества при устройстве на
работу для единственного ребенка в
семье;
4) дополнительное питание для един-
ственного ребенка;
5) преимущества семей с одним ребен-
ком при обеспечении жильем;
6) привилегированное медицинское
обслуживание родителей, у которых един-
ственный ребенок-девочка (в Китае явно
предпочитают сыновей, и обычно стре-
мятся заводить детей, пока не родится
хотя бы один сын).
Санкции за чрезмерное количество де-
тей включают:
1) возвращение семьей сумм, получен-
ных за первого ребенка, в случае рожде-
ния второго;
2) выплата «налога» за второго ре-
бенка;
3) более высокая плата за питание для
второго ребенка;
4) отсутствие декретного отпуска и
оплаты медицинских расходов, предо-
ставляемых при рождении первого ре-
бенка.
Вместе с улучшением экономической
ситуации такие поощрения и наказания
позволили Китаю добиться резкого сни-
жения суммарного коэффициента рожда-
емости с примерно 4,5 в середине
1970-х гг. до 2,6 в 1982 г. и 2,4 в настоящее
время. Благодаря этому уникальному ус-
пеху и грандиозным размерам Китай час-
то исключают из демографической кате-
гории развивающихся стран.
Очевидно, однако, что подобные меры
могут применяться нацией только по соб-
ственной инициативе. Одна страна не
в праве наложить такие санкции на дру-
гую, но она может поощрять и поддержи-
вать их. Даже сильное правительство
должно учитывать мнение своих граждан
по данному вопросу, в противном случае
его ждут сложности. Например, в Индии
правительство пало в результате прово-
дившейся им политики поощрения стери-
лизации.
Поощрение планирования
семьи и споры вокруг
абортов
Проблема абортов и, как следствие,
планирования семьи вызывает горячие
споры между сторонниками их запреще-
ния (т. е. «права на жизнь») и выступаю-
щих за «свободу выбора». В сущности,
вторые выступают не за аборты, а за
право женщины решать, иметь или не
иметь ребенка, и за предоставление ей
возможности сделать безопасный аборт
в случае нежелательной беременности.
Сторонники «права на жизнь» не допуска-
ют этого ни при каких обстоятельствах.
Во всяком случае, выбор между ле-
гальным абортом и рождением через не-
сколько месяцев здорового ребенка часто
непрост. Женщина, забеременевшая про-
тив своего желания, обычно стремится
сделать аборт. Если официально это не-
возможно, она прибегает к нелегальным
операциям, нередко проводимым грубо,
некомпетентными людьми в нестериль-
ных условиях. Иногда женщина пытается
спровоцировать у себя выкидыш. По име-
ющимся оценкам, ежегодно в мире от
инфекций и повреждений при нелегальных
абортах или самостоятельно вызванных
выкидышах умирает 155 000-204000 жен-
щин. В некоторых бедных африканских
и азиатских странах вероятность гибели
в период беременности достигает 3000 на
каждые 100000 удачных родов, тогда как
в развитых странах она составляет 2-10
на 100000. По крайней мере половина
этих смертей в развивающихся странах
связана с нелегальными абортами или
искусственными выкидышами, а вторая
половина-в основном со следующими
ситуациями повышенного риска', возраст
матери менее 16 или более 40 лет; наличие
в прошлом 4 или 5 беременностей; бере-
менность спустя менее года после преды-
дущих родов. На каждую умершую жен-
щину приходится множество страдающих
серьезными, длительными, часто хрони-
ческими недомоганиями. Кроме того,
когда мать малолетних детей умирает
или болеет, это почти всегда ведет к их
страданиям, недоеданию и нередко смер-
180
Ч. И. НАСЕЛЕНИЕ
ти. Такова обратная сторона неконтроли-
руемой рождаемости.
Цель планирования семьи - предостав-
ление информации, методов и средств,
позволяющих избежать нежелательной
и/или опасной беременности. Однако в
случае, когда женщина все-таки забереме-
нела против своего желания или в опасной
для жизни ситуации, следует предостав-
лять ей возможность аборта. Так как
вероятность инвалидности или смерти
при официальном аборте, проводимом
квалифицированными специалистами в
стерильных условиях, крайне низка, он
служит женщине защитой от продолже-
ния рискованной беременности или, даже
в большей степени, от опасности обраще-
ния к нелегальным методам или к само-
стоятельно индуцированному выкидышу.
Тем не менее защитники «права на
жизнь» активно выступают против про-
грамм планирования семьи именно из-за
их связи с абортами. Успехи этого движе-
ния приводят к результату, прямо проти-
воположному провозглашаемым целям.
При сокращении сети служб планирова-
ния семьи больше, а не меньше женщин
беременеют против своей воли и стремят-
ся сделать аборт. Там, где он официально
запрещен, многие делают его нелегально,
провоцируют у себя выкидыши или вы-
нуждены сохранять опасную беремен-
ность. Трагические результаты этого-
страдания и смерть женщин и детей. Тако-
ва действительность, которую защитники
«права на жизнь» не хотят, но должны
признать.
Технология контрацепции
Идеальное противозачаточное средст-
во должно давать стопроцентную гаран-
тию, не требовать постоянного приема,
иметь полностью и немедленно обрати-
мое действие, не давать отрицательных
побочных эффектов, быть доступным
всем женщинам. Оно сделало бы пробле-
му абортов чисто умозрительной. Аборт -
это не замена контрацепции. Он включен
в программу планирования семьи только
из-за отсутствия идеального контрацеп-
тива и неповсеместной доступности да-
же существующих противозачаточных
средств беднякам.
К счастью, технология контрацепции
развивается. Возможно, наиболее перс-
пективное средство-это Норплант, ма-
ленькая капсула, которая при импланта-
ции в руку женщины выделяет вещества
гормональной природы, предупреждаю-
щие беременность. Одной капсулы хвата-
ет на пять лет, но ее можно в любой
момент удалить, прекратив контрацеп-
тивное действие. Норплант уже разрешен
Всемирной организацией здравоохране-
ния при ООН (ВОЗ) и начинает приме-
няться в Азии, Африке и Латинской Аме-
рике. Он чрезвычайно выгоден экономи-
чески, так как после однократного обслу-
живания медицинской бригадой деревни
не требует частых повторных посещений.
Разрабатываются и другие сходные им-
плантаты и прививки.
Во Франции одна фармацевтическая
компания разработала препарат, извест-
ный под названием RU486, который пре-
рывает беременность, если его принять
в течение шести недель после нежелатель-
ного зачатия. Он уже разрешен во Фран-
ции и Китае и проходит испытания в
других странах. Однако в 1988 г. компа-
нии был выдвинут протест с угрозой бой-
кота от американских сторонников «права
на жизнь», потому что этот препарат
фактически вызывал самопроизвольные
выкидыши. В результате фирма объявила
об остановке производства, но вмешалось
французское правительство, утверждаю-
щее, что препарат должен выпускаться
для защиты здоровья женщин, которые
в противном случае могут воспользовать-
ся небезопасными методами аборта. Тем
не менее RU486 удален с американского
рынка.
Издержки на планирование
семьи
Более 400 млн. человек в развиваю-
щихся странах хотят ограничить размеры
своих семей, но не знают как или лише-
ны возможности это сделать. Число их
постоянно растет. Через 20 лет 3 млрд,
человек достигнут половой зрелости
6. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ
181
(вспомните половозрастную пирамиду на
рис. 5-4). Надежда на снижение рождае-
мости зависит от охвата этих людей про-
граммами планирования семьи. По оцен-
кам Института народонаселения, это осу-
ществимо при ежегодных ассигнованиях
в размере 2,4 млрд, долларов, начиная
с 1989 г. и увеличении их до 4,1 млрд,
долларов в 1998 г.; доля США составит на
начальном этапе 600 млн. долларов в год.
Это крошечные суммы по сравнению
с более чем триллионом (1000 млрд.) дол-
ларов, которые мир ежегодно тратит на
вооружение. Они малы и на фоне ущерба
от деградации окружающей среды и голо-
да в случае бездействия. Например, пра-
вительство США потратило 409 млн. дол-
ларов на неотложную помощь Африке
в период 1985-1987 гг. Этих расходов
можно было бы избежать, выделив в
предшествовавшие годы меньшую сумму
на планирование семьи. Кроме того, по-
траченные деньги не улучшат экологичес-
кой ситуации, приведшей к голоду. Дол-
говременная безопасность зависит от ста-
билизации численности населения и охра-
ны окружающей среды не меньше, чем от
защиты государственных границ. Таким
образом, планирование семьи можно счи-
тать чрезвычайно выгодным способом из-
бежать крупных издержек в будущем.
В период со второй мировой войны до
1984 г. США были мировым лидером
и спонсором программ планирования
семьи. Затем в 1984 г. на Международной
конференции по народонаселению в Ме-
хико, когда остальные ведущие страны
мира, признав необходимость безотлага-
тельных мер по контролю за рождае-
мостью, выступили за всестороннюю по-
мощь в деле планирования семьи, США,
приняв сторону защитников «права на
жизнь», заявили об изменении своей точ-
ки зрения. Менее 1% своей финансовой
поддержки они направили на организа-
цию абортов. Причем США не просто
отказали в помощи этому направлению,
но и провозгласили новую политику, пре-
дусматривающую отказ от финансирова-
ния любой организации, признающей
аборты одним из вариантов выбора для
женщин. Потеря поддержки США резко
сократила бюджет крупнейших всемир-
ных организаций, занимающихся плани-
рованием семьи,-фонда ООН по работе
в области народонаселения, Международ-
ной федерации планирования деторожде-'
ния, Международной помощи в планиро-
вании семьи и целого ряда других. По
оценкам Института мировой статистики,
более 340 млн. семейных пар в 65 странах
пострадали от этой политики.
Очевидно, что от деградации окружа-
ющей среды в результате перенаселения
пострадает каждый житель планеты.
Действия, которые
Вы можете предпринять
Ниже приведен ряд конкретных дейст-
вий, которые Вы сами можете предпри-
нять, чтобы содействовать стабилизации
населения планеты.
1. Самое главное, пишите президенту
и Вашим сенаторам и конгрессменам, тре-
буя возврата США к прежней политике
поддержки программ планирования
семьи, в частности продолжения финан-
сирования указанных выше организаций.
2. Требуйте, чтобы правительство ак-
тивнее поддерживало разработку и испы-
тание новых, более эффективных контра-
цептивов.
3. Вы можете вступить в Федерацию
планирования деторождения или другую
организацию, занимающуюся планирова-
нием семьи, и своими членскими взноса-
ми поддерживать их работу.
4. Существует много временных долж-
ностей и возможностей профессионально
работать в организациях по планирова-
нию семьи, которые ждут Вас.
Помните, что численность населения
только один фактор комплексного влия-
ния человека на окружающую среду. Это
влияние можно значительно ослабить при
достаточном уровне экологического со-
знания или усилить при полном его отсут-
ствии. Демографический потенциал при-
ведет к значительному росту народонасе-
ления даже при наилучшем контроле рож-
даемости. Значит, кроме усилий по стаби-
лизации численности человеческой попу-
ляции, жизненно необходимы мероприя-
182
Ч. II. НАСЕЛЕНИЕ
тия по охране почвенных, водных и дру-
гих природных ресурсов, борьба с загряз-
нением, которое отрицательно влияет как
на них, так и на здоровье человека, защи-
та естественных экосистем. К этим вопро-
сам мы и перейдем в следующих главах.
Сознавая масштабы перечисленных
проблем и действий, необходимых для их
разрешения, легко впасть в отчаяние,
усомниться в собственных силах. Поз-
вольте подарить Вам следующую мысль.
Ожидая от кого-либо указаний, что де-
лать, готовься к роли бессловесного ис-
полнителя. Оглядываясь вокруг, замечая
работу по плечу и берясь за нее, готовься
стать и руководителем, и хозяином.
Пример
Чему учит опыт Бангладеш
Улучшение здоровья
и питания,
спасая жизни людей,
помогает снизить рост
населения
Моя работа в области международно-
го здравоохранения началась в 1982 г.,
когда я впервые посетила Бангладеш. Эта
страна, расположенная в теплой и краси-
вой дельте двух огромных рек Ганга и
Брахмапутры, одна из беднейших в мире,
но с одним из самых высоких показателей
плотности населения. По площади Бан-
гладеш примерно соответствует штату
Висконсин, а живут там ПО млн. человек.
Представьте, что половина населения
США живет в Висконсине! Причем у более
половины этих людей доход ниже 100
долларов в год!
Я работала в международном исследо-
вательском центре, проводившем боль-
шую работу по программам здравоохра-
нения Детского фонда ООН (ЮНИСЕФ),
ВОЗ и Международного центра по изуче-
нию желудочно-кишечных заболеваний
в Бангладеш (ICDDR, В). Этот центр уже
более 25 лет занимается здесь выяснением
причин и возможных методов лечения
расстройств, являющихся основной при-
чиной детской смертности. В 1987 г. от
этих вполне поддающихся профилактике
заболеваний и родственных им наруше-
ний умерло около 15 млн. детей. Центр
был основан в начале 1960 г. правитель-
ством США для того, чтобы научные
исследования можно было проводить не-
посредственно в зоне распространения бо-
лезней, а не в удаленных от нее лабо-
раториях.
Моя работа в ICDDR,B включала по-
мощь в организации национальной про-
граммы борьбы с широкомасштабными
эпидемиями желудочно-кишечных заболе-
ваний. Приходилось много ездить по всей
стране, посещать сельские районы, где от
холеры и других расстройств пищевари-
тельного тракта ежегодно гибнут тысячи
детей. В Бангладеш около 300 детей уми-
рают ежедневно от обезвоживания и свя-
занных с ним причин. Во всем мире от
причин, которые вполне можно предупре-
дить, их ежедневно умирает более 10000,
причем в большинстве случаев-от поно-
са - расстройства, считающегося в Амери-
ке несерьезным, но в действительности
относящегося к пяти основным причинам
госпитализации.
В крупном населенном пункте Мат-
лаббазар ICDDR,B изучает влияние на
выживаемость детей некоторых методов
лечения и профилактики заболеваний.
Центр работает в этом районе уже более
25 лет, испытывая различные способы
спасения жизни, снижения роста населе-
ния и улучшения детского здоровья. Насе-
ление Матлаббазара (около 180000 чело-
век) изучалось с помощью тщательно
контролируемых научно-демографичес-
ких методов. Оно было разделено на две
группы по 90000 человек, получающие
бесплатно медицинскую помощь. В одной
из групп также осуществлялась образова-
тельная программа, проводилась имму-
низация, людей обучали правилам конт-
роля деторождения, кормления грудью
и перорального восстановления водного
баланса организма с помощью простого
и дешевого раствора, заменяющего жид-
кости тела, теряемые при заболеваниях,
связанных с поносом, основной причиной
здешней смертности.
6. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ
183
Клиника в Бангладеш. Большинство поступаю-
щих сюда детей страдают желудочно-кишеч-
ными заболеваниями, которые без лечения
часто приводят к смерти из-за обезвоживания
организма. С помощью перорального вос-
становления водного баланса удается почти
в 100% случаев добиться выздоровления
(Чарлин Б. Дейл, Международный фонд
детского здоровья)
Один из вопросов, который мне часто
задавали как главному врачу Междуна-
родного фонда детского здоровья, орга-
низации, призванной спасать как можно
больше детей с наименьшими затратами,
звучал так: «Что мы будем делать со
всеми спасенными?» Люди часто считают,
что программы здравоохранения ведут
к увеличению числа детей, живущих в ни-
щете. «Зачем помогать?-спрашивают
они-Ведь в результате у бедняков будет
еще больше детей, больше, чем они смо-
гут прокормить или одеть? Зачем помо-
гать, если это приведет к еще более отча-
янной ситуации в будущем?». В Матлаб-
базаре мы нашли ответ на эти вопросы.
Опыт, приобретенный в Метлаббаза-
ре, в аграрной стране Бангладеш, потряс
меня. Когда матери узнают, что можно
предотвратить смерть своих детей, они
хотят иметь их меньше. Эти дети будут
лучше питаться, вырастут более здоро-
выми и меньше подверженными болезням
в будущем.
В своем отчете за 1987 г. ЮНИСЕФ
отметил, что здоровье детей зависит в
первую очередь от их родителей, которые,
таким образом, находятся на «передней
линии» здравоохранения. Этот отчет ос-
нован и на опыте маленькой глухой де-
ревни в Бангладеш.
Чарлин Б. Дейл
Международный фонд детского
здоровья
Часть
III
ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ
ХОЗЯЙСТВО
Плодородная почва и пресная вода-
важнейшие для человечества ресурсы, так
как это залог производства почти всех
продуктов питания. Кроме того, на них
основано получение древесины, натураль-
ных волокон, напитков и многих других
предметов потребления. Обилие земель-
ных и водных ресурсов - условие процве-
тания цивилизации; на истощенных зем-
лях живут нищие, или они вообще без-
людны.
И почва, и вода - «возобновляемые»
ресурсы в том смысле, что естественные
процессы будут поддерживать их сущест-
вование бесконечно долго, если обеспе-
чить правильный уход и охрану. Люди
часто не соблюдают последнего условия,
эксплуатируют эти ресурсы до их полного
истощения, а затем страдают от послед-
ствий. Археологи установили, что упадок
многих процветавших древних цивилиза-
ций был вызван не внешними врагами,
а медленным экологическим самоубийст-
вом-неспособностью сохранить земель-
ные и водные ресурсы. Например Север-
ная Африка, некогда снабжавшая зерном
Римскую империю, теперь по большей
части представляет собой пустыню. Воз-
можно, эта катастрофа сыграла важную
роль в подрыве жизнеспособности Древ-
него Рима. Аналогично ключевым фак-
тором упадка некогда процветавшей в
Центральной Америке культуры Майя,
вероятно, была потеря почвенного плодо-
родия вследствие эрозии.
Однако, вместо того чтобы усвоить
эти уроки прошлого, мы, кажется, склон-
ны повторить ошибки в глобальном мас-
штабе. Под натиском быстро растущего
населения мероприятия по долговремен-
ной охране земель почти не проводились,
и эрозия достигла беспрецедентных мас-
штабов. По оценке Института мировой
статистики, потери от нее почвы во всем
мире составили в 1984 г. 26 млрд, т и про-
должают расти. Это эквивалентно пахот-
ному слою на площади, равной приблизи-
тельно 23 млн. акров 1, что достаточно
для обеспечения продовольствием
150 млн. человек. В отличие от землетря-
сений и извержений вулканов это бедствие
надвигается постепенно, однако с 1967 г.
производство зерна на душу населения
в Африке падает, и уже существует не-
сколько миллионов «экологических бе-
женцев», т. е. голодающих, нищих людей,
покинувших свои родные земли, не спо-
собные более поддерживать их существо-
вание. Широкомасштабная почвенная
эрозия угрожает в будущем экономике
Индии, Китая, СНГ и некоторых других
как развитых, так и развивающихся стран.
США остаются одной из немногих стран,
которые все еще производят количество
продовольствия, значительно превосходя-
щее потребности своего населения. Но
ежегодные потери от эрозии около
3 млрд, т почвы - зловещий знак происхо-
дящей и здесь деградации земель. Анало-
гичным образом во многих регионах про-
исходит перерасход воды, и истощение ее
запасов для орошения может наложить
дальнейшие ограничения на сельскохозяй-
ственное производство.
Очевидно, что растущее население и
1 Акр-единица площади в системе анг-
лийских мер; 1 акр = 4046,86 м2.
4. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
185
деградирующие земельные и водные ре-
сурсы не способствуют оптимистическому
взгляду в будущее. Однако мы обладаем
нужными знаниями и возможностями
сохранить и воду, и почву. В части III
будут рассмотрены их основные свойства,
что позволит вникнуть в суть проблем
и понять, какие меры необходимы для
обеспечения устойчивого благосостояния
общества.
7
Почва и почвенная экосистема
Раздел
Учебные вопросы
I. РАСТЕНИЯ И ПОЧВА.............188
А. Важнейшие свойства почвы как среды
обитания.....................188
1. Минеральные элементы питания и спо-
собность почвы их удерживать . .188
2.
Вода и водоудерживающая способ-
ность .....................188
3. Кислород и аэрация........191
4. Относительная кислотность (pH) 191
5. Соль и осмотическое давление . .192
Б. Выращивание растений без почвы . .193
В. Экосистема почвы...............194
1. Механический состав почвы: размер
минеральных частиц.............194
1. Перечислите и опишите свойства почвы,
необходимые для роста растений.
2. Перечислите четыре питательных элемента,
которые растения получают из почвы. Ка-
ким образом они попадают в почву и как
извлекаются оттуда? Дайте определение
выветриванию и выщелачиванию. Объясните
значение способности почвы удерживать
элементы питания.
3. Объясните, почему для развития растениям
нужен постоянный доступ к воде? Дайте
определение инфильтрации и водоудержи-
вающей способности; объясните, почему
они так важны.
4. Дайте определение аэрации почвы; объяс-
ните, почему она так важна. Опишите два
фактора, препятствующие аэрации.
5. Что такое pH? В каких пределах pH воз-
можна жизнь?
6. Опишите, как соленая вода препятствует
росту растений.
7. Назовите и опишите систему выращивания
растений без почвы. Что она доказывает,
если учесть потребность растений в разных
компонентах почвы?
2. Детрит, почвенные организмы, гумус
и пахотный слой.................197
8. Дайте определение механического состава
почвы. Назовите три основных компонента
этого состава. Что такое суглинок? Опиши-
те, как механический состав влияет на
влажность, элементы питания, аэрацию и
обрабатываемость почвы. Какой ее меха-
нический состав оптимален? Разве почва не
хороша сама по себе?
9. Дайте определение гумуса. Откуда он по-
ступает? Опишите, как формируется пахот-
ный слой из подпочвы, детрита и почвен-
ных организмов. Сравните свойства пахот-
ного слоя и подпочвы. Опишите, что про-
исходит, если в почву поступает недоста-
точно детрита. Как отражается на разви-
тии растений потеря пахотного слоя? По-
чему?
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
187
3. Остальная почвенная биота . . . 200
4. Органические и минеральные удобре-
ния ............................201
Г. Взаимозависимость растений и.поч-
вы 202
II. ПОТЕРИ ПОЧВЫ..................204
А. Голая почва, эрозия и опустыни-
вание 204
Б. Причины потерь почвы.........208
1. Выпахивание...............208
2. Перевыпас..................209
3. Сведение лесов.............210
4. Орошение, засоление и опустынива-
ние .........................213
В. Масштабы проблемы
215
Г. Предупреждение эрозии и опустынива-
ния ...........................217
1. Предупреждение эрозии: традицион-
ные методы......................217
2. Предупреждение эрозии: новые ме-
тоды ...........................219
а. Беспахотное земледелие . .219
б. Многолетние культуры . . . 222
3. Ограничение выпаса...........223
4. Восстановление лесов и рекультива-
ция опустыненных земель . . . 223
5. Борьба с засолением .... 224
III. ОТ СЛОВ К ДЕЛУ...................224
Пример. Гаити:
земля, где не растет надежда.........226
10. Назовите некоторые другие почвенные
организмы и расскажите, как они могут
влиять на развитие растений.
11. Опишите различия, назовите достоинства
и недостатки органических и минеральных
удобрений.
12. Опишите взаимосвязи, существующие меж-
ду растениями и экосистемой почвы.
13. Назовите и опишите различные типы эро-
зии. Как изменяются свойства почвы под ее
воздействием? Что происходит с плодоро-
дием? Почему «опустынивание»-подходя-
щее название для этого явления?
14. Перечислите и дайте определение трех
основных причин эрозии. Какие экономиче-
ские и социальные факторы стоят за каж-
дой из них?
15. Опишите, как орошение может привести
к потере плодородия.
16. Обсудите и приведите примеры, иллюстри-
рующие масштабы опустынивания. Можно
ли его предупредить?
17. Назовите и опишите традиционные методы
предупреждения эрозии.
18. Назовите и опишите новые методы преду-
преждения эрозии.
19. Как можно избежать засоления?
20. Обсудите, что Вы можете сделать для за-
щиты почв. Объясните, что подразумевает-
ся под отказом от долгов в пользу при-
роды.
Сохранение плодородных почв под
земледельческими угодьями, пастбищами
и лесами-основное условие устойчивого
развития человечества. Тем не менее
ежегодно 23 млн. акров (площадь квад-
рата со стороной 190 миль1) становятся
бесплодными из-за разнообразных прояв-
лений недальновидного хозяйствования.
1 1 сухопутная миля = 1609 м.
Ниже мы рассмотрим приводящие
к этому формы хищнического и бесхо-
зяйственного использования земли, спо-
собы их предотвращения и возрождения
бесплодных территорий. Мы начнем с
описания важнейших свойств почвы,
обеспечивающих продуктивность рас-
тений. В результате станет понятно, как
теряется плодородие и как его можно
восстановить.
188
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Растения и почва
Важнейшие свойства почвы
как среды обитания
Чтобы растения могли выжить, почва
как среда обитания должна удовлетво-
рять их потребность в минеральных эле-
ментах питания, воде и кислороде. Очень
важны также ее pH (относительная кис-
лотность) и соленость (концентрация со-
лей).
Минеральные элементы питания
и способность почвы их удерживать
Для питания растений необходимы
такие минеральные питательные компо-
ненты (биогены), как нитраты (NO3), фос-
фаты (РО^—), калий (К+) и кальций
(Са2+) (см. гл. 2). За исключением соеди-
нений азота, которые образуются из ат-
мосферного N2 при круговороте этого
элемента, все минеральные биогены из-
начально входят в химический состав
горных пород наряду с «непитательны-
ми» элементами, такими как кремний,
алюминий и кислород (см. рис. 2-4).
Однако эти биогены недоступны расте-
ниям, пока они закреплены в структуре
пород. Чтобы ионы биогенов перешли
в менее связанное состояние или в водный
раствор, порода должна быть разрушена
(см. рис. 2-4).
Порода, которую называют материн-
ской, разрушается в процессе естествен-
ного выветривания. Выветривание вклю-
чает все физические процессы (например,
замерзание и оттаивание, нагревание и
охлаждение, абразивное действие песча-
ных частиц, переносимых водой или вет-
ром), биологические факторы, такие как
давление корней, растущих в мелких
трещинах, а также различные химические
реакции.
Когда ионы биогенов высвобождают-
ся, они становятся доступными расте-
ниям, но могут также вымываться про-
сачивающейся сквозь почву водой. По-
следний процесс называется выщелачива-
нием. Выщелачивание не только снижает
плодородие почв, но и способствует за-
грязнению среды. Следовательно, способ-
ность почвы связывать и удерживать
ионы биогенов, чтобы они не выщела-
чивались и могли поглощаться корнями,
столь же важна, как и их исходный запас.
Эту способность называют ионообменной
емкостью почвы.
Будучи исходным источником биоге-
нов, выветривание все же слишком мед-
ленный процесс, чтобы обеспечить нор-
мальное развитие растений. В естествен-
ных экосистемах основной источник био-
генов - разлагающиеся детрит и метабо-
лические отходы животных, т. е. круго-
ворот биогенов, описанный в гл. 2 и
проиллюстрированный на примере фос-
фора на рис. 2-15. Если ионообменная
емкость утрачена, биогены выщелачива-
ются и плодородие падает.
В агроэкосистемах происходит неиз-
бежное удаление биогенов с собранным
урожаем, так как они входят в состав
растительного материала. Поэтому их
запас регулярно пополняют, внося удоб-
рения. Неорганические, или химические,
удобрения представляют собой смеси ми-
неральных биогенов. Органические удоб-
рения-это растительные остатки и отхо-
ды животных, например навоз, содержа-
щие биогены, высвобождающиеся по мере
разложения. Преимущества и недостатки
этих типов удобрений мы обсудим ниже.
Даже при внесении удобрений ионо-
обменная емкость почвы сохраняет свое
жизненно важное значение. Во-первых,
выщелачивание удобрений наносит оче-
видный экономический ущерб. Во-вторых,
что более существенно, выщелоченные
биогены попадают в водоемы, вызывая
серьезные проблемы, связанные с загряз-
нением, которые рассмотрены в гл. 9. Рис.
7-1 обобщает высказанные выше поло-
жения.
Вода и водоудерживающая
способность
В листьях растений существуют тон-
кие поры, через которые происходит
поглощение углекислого газа (СО2) и
выделение кислорода (О2) в процессе
фотосинтеза. Однако они же пропускают
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
189
Рис. 7-1. Отношения растение-почва-био-
гены. Биогены могут поступать в почву при
разложении детрита, внесении удобрений
и (очень медленно) при выветривании мате-
ринской породы. Будут ли они оставаться
в почве до тех пор, пока их не поглотят
растения, или же она их потеряет в результате
выщелачивания, зависит от ее ионообменной
емкости
пары воды из влажных клеток, находя-
щихся внутри листа, наружу. Чтобы ком-
пенсировать эти потери водяных паров
листьями, называемые транспирацией,
необходимо по меньшей мере 99% всей
поглощаемой растением воды; на фото-
синтез расходуется менее 1%. Если воды
недостаточно для восполнения потерь на
транспирацию, растение вянет. В увядшем
состоянии оно более экономно расходует
воду и может на некоторое время сдер-
жать наступление общей обезвоженности
и гибели, но при этом прекращается
и развитие. Следовательно, для поддер-
жания активного роста большинство рас-
тений требует значительного количества
влаги. Например, поле кукурузы за один
вегетационный период тратит на транс-
пирацию количество воды, эквивалентное
ее слою глубиной 17 дюймов (43 см).
Очевидно, что, если дождевая вода
стекает по поверхности грунта, а не
впитывается, пользы от нее не будет.
Поэтому весьма важна инфильтрация, т. е.
впитывание воды с поверхности почвы.
Так как корни большинства растений
в нее не очень глубоко проникают, вода,
190
4. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Рис. 7-2. Отношения растение-почва-вода.
Потери воды растением при транспирации
должны компенсироваться запасами капилляр-
ной воды в почве. Этот запас зависит не только
от обилия и частоты осадков, но и от
способности почвы впитывать и удерживать
воду, а также от прямого испарения с ее
поверхности
которая просачивается глубже, чем на
несколько футов1 (а для мелких расте-
ний-на гораздо меньшую глубину), ста-
новится недоступной. Следовательно, в
период между дождями растения зависят
от запаса воды, удерживаемого поверх-
ностным слоем почвы, как губкой. Ве-
личина этого запаса называется водоудер-
1 Фут-единица длины в системе англий-
ских мер; 1 фут = 0,3048 м.
живающей способностью почвы. Даже при
редких осадках почвы с хорошей водо-
удерживающей способностью могут за-
пасти достаточно влаги для поддержания
жизни растений на протяжении довольно
длительного сухого периода. Растения же
на почвах со слабой водоудерживающей
способностью могут пострадать даже во
время короткой засухи, так как неболь-
шой запас почвенной влаги быстро ис-
тощается.
Наконец, запас воды в почве сокра-
щается не только в результате его ис-
пользования растениями, но и за счет
испарения с поверхности почвы. Чтобы
снизить его, применяют мульчирование
или создают растительный покров.
Итак, идеальной будет почва с хоро-
шей инфильтрацией, хорошей водоудер-
живающей способностью и покровом,
снижающим потери воды от испарения.
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
191
Взаимосвязи вода-почва изображены на
рис. 7-2.
Кислород и аэрация
Чтобы расти и поглощать биогенные
элементы, корням необходима энергия,
генерируемая при окислении глюкозы
в процессе клеточного дыхания. При этом
потребляется кислород и в качестве от-
хода образуется углекислый газ. У корней
должна быть возможность поглощать
кислород из окружающей почвы и вы-
делять в нее углекислый газ, так как за
редким исключением растения не способ-
ны транспортировать эти газы между
своими органами. Следовательно, обес-
печение диффузии (пассивного движения)
кислорода из атмосферы в почву и обрат-
ное перемещение углекислого газа-еще
одна важная черта почвенной среды. Его
называют аэрацией (рис. 7-3).
Обычно аэрацию затрудняют два об-
Рис. 7-3. Аэрация почвы. Дыхание корней
растений-это поглощение ими кислорода из
окружающей среды и выделение в нее угле-
кислого газа. В свою очередь эти газы должны
иметь возможность диффундировать между
частицами почвы
стоятельства, приводящие к замедлению
роста или гибели растений, -уплотнение
почвы и насыщение ее водой. Уплотнением
называют сближение между собой поч-
венных частиц, при котором воздушное
пространство между ними становится
слишком ограниченным, чтобы происхо-
дила диффузия (рис. 7-4). Водонасыще-
ние-результат переувлажнения, когда все
пространство между частицами почвы
заполняется водой. Это можно назвать
«затоплением» растений.
Некоторые их виды, например болот-
ный кипарис, мангры, спартина, осоки,
тростники, у которых кислород диффун-
дирует в корни по стеблям, прекрасно
чувствуют себя в насыщенных водой
почвах переувлажненных территорий.
Относительная кислотность (pH)
Единицы и шкала измерения относи-
тельной кислотности и щелочности (ос-
новности) называются pH; середине шка-
лы соответствует нейтральная реакция,
или pH = 7. Подробнее это будет обсуж-
даться в гл. 13, как и последствия из-
менения pH из-за кислотных дождей.
Теперь же для нас важно, что большинст-
ву растений и животных требуется близ-
Частицы почвы
192
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Рис. 7-4. Недостаточная аэрация почвы тормо-
зит развитие растений. Почвенный разрез
демонстрирует, что верхний горизонт сильно
уплотнен. В случае левого растения сои этот
уплотненный горизонт был разрыхлен, в случае
правого - нет. Мелкий размер правого растения
показывает, что на уплотненной почве рост
заметно подавлен, в основном за счет ее
недостаточной аэрации (фото Национальной
лаборатории механизации земледелия,
Сельскохозяйственный департамент США)
кое к нейтральному значение pH; в боль-
шинстве естественных сред обитания та-
кие условия соблюдаются.
Соль и осмотическое давление
Для нормальной жизнедеятельности
все клетки живого организма должны
содержать определенное количество во-
ды, т. е. требуют водного баланса. Однако
сами они не способны активно закачивать
или выкачивать воду. Их водный баланс
регулируется отношением концентраций
солей с внешней и внутренней сторон от
клеточной мембраны. Молекулы воды
притягиваются ионами соли. Клеточная
мембрана препятствует прохождению
ионов, а вода быстро движется сквозь нее
в направлении большей их концентрации.
Это явление называется осмосом (рис.
7-5).
Клетки контролируют свой водный
баланс, регулируя внутреннюю концент-
рацию соли, а вода поступает внутрь
и наружу под действием осмоса. Если
концентрация соли вне клетки слишком
высока, вода поглощаться не может.
Более того, под действием осмоса она
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
193
Рис. 7-5. Соли в почве и движение воды за счет
осмоса. А. Клетки поглощают соли калия, но
не пропускают внутрь соли натрия. Если вода
в почве пресная, то поглощение корнями калия
обеспечивает концентрацию соли внутри их
клеток выше, чем снаружи. В результате вода
движется внутрь клеток, поддерживая растение
в состоянии тургора (т. е. оно не вянет). Стенки
клеток предохраняют их от разрыва. Б. Если
снаружи высока концентрация солей (особенно
солей натрия, не поглощаемых клетками), вода
оттягивается из клеток, вызывая завядание
и гибель растения
будет оттягиваться из клетки, что при-
ведет к обезвоживанию и гибели расте-
ния. Вот почему пресноводные виды не
могут выносить морскую среду с кон-
центрацией соли 3,5%. Морские виды
обладают различными приспособления-
ми, позволяющими им поддерживать
водный баланс в морской воде, однако
они погибнут, если попадут в пресную
воду. Для большинства наземных расте-
ний необходима пресная вода. При за-
солении почвы ее способность обеспечи-
вать их жизнедеятельность понижается.
Сильно засоленные почвы практически
представляют собой безжизненные пус-
тыни.
Выращивание растений
без почвы
Растения не нуждаются в каких-либо
«тайных» компонентах почвы, за исклю-
чением ее свойств, описанных выше. На
практике это демонстрирует гидропоника,
т. е. выращивание растений без почвы.
В большинстве гидропонных систем их
укореняют в слое гравия размером с
горошину или крупного песка, который
более или менее непрерывно орошается
циркулирующим питательным раствором
(рис. 7-6). Таким образом, корни полу-
чают постоянный доступ к воде, мине-
ральным биогенам и хорошо аэрируются.
Растения, разводимые гидропонным ме-
тодом, прекрасно развиваются, и опыты
показывают, что их питательность такая
же, как и при выращивании на обычной
хорошей почве.
Следовательно, потребность в почве-
это вопрос стоимости. При гидропонных
системах расходуется столько труда и
материалов, что полученные продукты
питания должны очень дорого стоить.
Например, чтобы окупить выращивание
пшеницы таким методом, нужно прода-
вать хлеб по 10 долларов за буханку.
Единственный способ получать пищу и
другие сельскохозяйственные продукты
7 2199
194
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Рис. 7-6. Гидропоника-выращивание растений
без почвы. Один из ее методов включает
использование субстрата из гравия. Раствор,
содержащий все необходимые минеральные
биогены, каждые 8 ч закачивается в гравий
и стекает обратно в резервуар. Гравий,
периодически смачиваемый таким раствором,
создает идеальные для корней условия
питания, увлажнения и воздухообмена. Однако
высокая стоимость не позволяет использовать
гидропонику для массового производства
пищевых продуктов
по доступным нам ценам-это сохранить
почву в ее естественном состоянии, при
котором большинство потребностей рас-
тений удовлетворяется бесплатно.
Экосистема почвы
Исследуя верхний, плодородный слой
почвы, мы обнаруживаем сложное соче-
тание следующих компонентов:
- минеральные частицы;
- детрит, т. е. мертвое органическое
вещество растений и животных, включая
отходы их жизнедеятельности, на разных
стадиях разложения;
- множество живых организмов от
редуцентов (грибов и бактерий) до более
крупных детритофагов (дождевых червей,
моллюсков и насекомых), формирующих
сложную пищевую сеть, основанную на
детрите.
Таким образом, почва, обеспечиваю-
щая рост растений,-это не просто
«грязь», а сложная экосистема (рис. 7-7).
Охрана почвенной экосистемы необхо-
дима для поддержания плодородия поч-
вы. Мы рассмотрим каждый из ее ком-
понентов подробнее и увидим, как их
взаимодействие обеспечивает это плодо-
родие.
Механический состав почвы: размер
минеральных частиц
Горная порода под действием хими-
ческих и физических факторов окружаю-
щей среды постепенно разрушается, или
выветривается. Образующиеся в резуль-
тате частицы подразделяют на песок
(самые крупные), пыль и глину (мель-
чайшие, см. табл. 7-1). Из них состоит
минеральная часть почвы. Размер частиц
определяет ее механический состав, или
гранулометрию. Некоторые почвы прак-
тически представляют собой чистый пе-
сок, пыль или глину, но обычно это смесь,
которую можно разделить, взболтав не-
большое количество почвы в высоком
лабораторном цилиндре с водой, а затем
дав ей осесть. Так как скорость оседания
Таблица 7-1. Классификация почвенных частиц,
принятая Сельскохозяйственным
департаментом США
Название фракции Диаметр, мм
Очень грубый песок 2,00-1,00
Грубый песок 1,00-0,50
Средний песок 0,50-0,25
Тонкий песок 0,25-0,10
Очень тонкий песок 0,10-0,05
Пыль 0,05-0,002
Глина менее 0,002
частиц зависит от их веса, песок опус-
кается на дно первым, затем пыль и
наконец глина. Их соотношение можно
измерить.
Треугольник механического состава
почвы, изображенный на рис. 7-8, позво-
ляет представить себе любое соотношение
песка, пыли и глины и классифицировать
по механическому составу любую почву.
Большое значение имеет класс суглинков,
для минеральной части которого харак-
терно приблизительно 40% песка, 40%
пыли и 20% глины.
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
195
Рис. 7-7. Плодородная почва * это не просто
«грязь». Ее система основана на динамическом
взаимодействии между минеральными части-
цами, детритом, детритофагами и редуцен-
тами. Нарушение хотя бы одного из этих трех
важнейших компонентов может иметь самые
пагубные для почвы последствия
Механический состав почвы сущест-
венно влияет на инфильтрацию, водо-
удерживающую способность, ионообмен-
ную емкость и аэрацию. Чем крупнее
частицы, тем больше пространство между
ними. Следовательно, тем лучше инфиль-
трация и аэрация, которые ухудшаются
по мере уменьшения частиц. Поэтому
в песчанных почвах инфильтрация и аэра-
ция прекрасные, а в глинистых - очень
слабые. Пылеватые почвы занимают
здесь промежуточное положение.
Однако водоудерживающая способ-
ность и ионообменная емкость почвы
находятся от размеров частиц в обратной
зависимости. Эти параметры улучшаются
по мере уменьшения частиц, потому что
молекулы воды и ионы биогенов при-
крепляются к поверхности частиц, общая
площадь которой возрастает с уменьше-
нием их размеров. Представьте себе, что
камень вновь и вновь разбивают напо-
полам. При этом каждый раз возникают
новые поверхности по обе стороны от
разлома, но общий вес или объем ма-
териала не изменяются. Так и в заданном
объеме почвы, чем мельче частицы, тем
больше общая площадь их поверхности
и тем выше способность удерживать воду
и элементы питания (рис. 7-9).
От механического состава зависит
также обрабатываемость почвы. Это очень
важно для сельского хозяйства. Глинис-
7*
196
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Рис. 7-8. Классы механического состава почвы.
Они соответствуют различному процентному
содержанию в ней песка, пыли и глины
(Сельскохозяйственный департамент США)
тые почвы очень трудно обрабатывать,
так как даже при небольших изменениях
влажности они либо становятся слишком
вязкими и липкими, либо затвердевают
настолько, что их не измельчить. Пес-
чаные почвы обрабатывать очень четко,
так как при увлажнении они не раскисают,
а при высыхании не склеиваются в кир-
пичеподобную массу.
Эта зависимость между механическим
составом почвы и ее различными свойст-
вами обобщена в табл. 7-2. Какая же
Таблица 7-2. Взаимоотношения между механическим составом почвы и ее физическими и химиче-
скими свойствами
Тип почвы Инфильтрация воды Водоудерживаю- щая способность Ионообменная емкость Аэрация Обрабатываемость
Песок Хорошая Низкая Низкая Хорошая Хорошая
Пыль Средняя Средняя Средняя Средняя Средняя
Глина Слабая Высокая Высокая Плохая Плохая
Суглинок Средняя Средняя Средняя Средняя Средняя
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
197
биогены вымываются
Рис. 7-9. Способность почвы удерживать воду
и биогены увеличивается при уменьшении
размеров частиц. Вода и ионы биогенов
(показанные на рисунке точками) связываются
с поверхностью почвенных частиц, а у мелких
частиц суммарная поверхность больше
Биогены удерживаются
почва самая плодородная? Вспомним
принцип лимитирующих факторов. Наи-
менее выраженное свойство лимитирует
возможности среды в целом. Например,
слабая водоудерживающая способность
песчаной почвы может сделать ее совер-
шенно непригодной для земледелия. Наи-
лучшим оказывается суглинистый или
пылеватый механический состав, обеспе-
чивающий компромисс между свойствами
песка и глины. Однако в действитель-
ности это «лучшее» - всего лишь «сред-
нее». Теперь мы рассмотрим, как улуч-
шить все свойства почвы.
Рис. 7-10. Гумус -органическое вещество,
наиболее устойчивое к разложению и поэтому
сохраняющееся после того, как основной его
процесс уже завершился (пример-древесный
пень на рисунке). Постепенно гумус также
минерализуется до неорганических веществ
(фото автора)
Детрит, почвенные организмы,
гумус и пахотный слой
Действительно замечательное улуч-
шение всех свойств почвы происходит при
сочетании с ее минеральной частью гу-
муса. Питаясь, каждый организм остав-
198
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Рис. 7-11. Почвенные организмы. На рисунке
представлены основные их группы. Именно
в процессе жизнедеятельности этих организмов
детрит преобразуется в гумус, перемешивание
которого с почвой придает ей структуру
(Robert Leo Smith, Ecology and Field Biology, 2-e
изд., рис. 17-5, с. 540. Copyright 1966, 1974 by
Robert Leo Smith. С разрешения Harper and
Row Publishers, Inc.)
ляет некоторое количество неусвоенных
отходов. Гумус-это остаток органичес-
кого вещества после потребления детрита.
Знакомый всем пример - черное или тем-
но-коричневое губчатое вещество, остав-
шееся в бревне, после того как его цент-
ральная часть выгнила (рис. 7-10).
Естественный процесс проникновения
гумуса в минеральную часть почвы на-
чинается с накопления мертвых корней,
листьев и другого детрита на поверхности
и внутри почвы. Детрит поддерживает
сложную пищевую сеть, включающую
множество видов бактерий, грибов, прос-
тейших, клещей, многоножек, пауков,
насекомых и их личинок, дождевых чер-
вей, брюхоногих моллюсков, кротов и
других землероев (рис. 7-11). Питаясь, эти
организмы не только преобразуют детрит
в гумус, но и в процессе жизнедеятель-
ности перемешивают и соединяют его
с минеральной частью почвы, формируя
то, что называют почвенной структурой.
Например, дождевые черви, питаясь дет-
ритом, заглатывают и неорганические
частицы почвы. Через их пищеваритель-
ный тракт проходит до 15 т почвы на акр
(37 т/га) в год. При этом минеральная
часть как следует перемешивается и
«склеивается» непереваренными гумусо-
выми веществами. В результате частицы
песка, пыли и глины соединяются в более
крупные комки и агрегаты. Деятельность
таких землероев, как мыши, не дает этим
комкам плотно слеживаться. Такую рых-
лую комковатость называют почвенной
структурой (рис. 7-12).
Образование гумуса и развитие поч-
венной структуры происходят главным
образом в верхних 8-12 дюймах (2-3 дм)
почвы, т. е. в зоне активности почвенных
организмов. Таким образом, над более
светлой, бедной гумусом, уплотненной
почвой формируется темноцветный слой
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
199
Отсутствие структуры:
уплотненная почва с
плохими аэрацией и
инфильтрацией
Добавление орга\
нического вещества'
и процесс гумусоов
разевания с участием,
многочисл.организмов
Структурированная почва:
прекрасные аэрация
и инфильтрация
А
б
Рис. 7-12. Гумус и развитие почвенной струк-
туры. А. Слева - образец бедного гумусом
суглинка. Заметно, что это достаточно
однородный плотный «ком». Справа - образец
того же суглинка, но обогащенного гумусом.
Структура его очень рыхлая, образованная
множеством агрегатов различной величины
(фото автора). Б. Схематическая иллюстрация
различий
с комковатой агрегированной структурой.
Этот обогащенный гумусом слой условно
называют пахотным, а нижележащий
слой-подпочвой. Аккуратный разрез че-
рез естественную, ненарушенную почву
демонстрирует такое чередование слоев,
называемое почвенным профилем (рис.
7-13).
Гумус обладает феноменальной, в
сотню раз большей, чем у равного по
массе количества глины, способностью
удерживать воду и биогенные элементы,
а комковатая агрегированная структура
почвы улучшает ее аэрацию, инфильтра-
цию воды и обрабатываемость. Так, не-
зависимо от механического состава гумус
и создаваемая им почвенная структура
создают необходимые для жизни расте-
ний условия. Они могут обеспечить вы-
сокую водоудерживающую способность
песчаных почв, инфильтрацию и аэрацию
в глинистых, улучшить суглинистые и
пылеватые почвы во всех отношениях
(табл. 7-3).
Различие между пахотным слоем и
подпочвой в их способности поддержи-
вать развитие растений изучали, высажи-
вая растения на смежные участки, с од-
200
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Таблица 7-3. Сравнение бедного и богатого гумусом суглинков
Тип суглинка Инфильтрация воды Водоудерживаю- щая способность Ионообменная емкость Аэрация Обрабатываемость
Бедный Средняя Средняя Средняя Средняя Средняя
гумусом Богатый Прекрасная Прекрасная Прекрасная Прекрасная Прекрасная
гумусом
ного из которых верхний гумусовый го-
ризонт был снят. Результаты порази-
тельные. Удаление пахотного слоя при-
вело к снижению урожая на 85%. Дру-
гими словами, потеря этого слоя позво-
ляет получить только 15% продукции.
Рис. 7-13. Почвенный профиль. Разрез почвы
демонстрирует рыхлый, темноцветный пахот-
ный слой сверху и уплотненную светлую
подпочву снизу. Пахотный слой образуется
в результате поступления органического
вещества и жизнедеятельности почвенных
организмов (фото Сельскохозяйственного
департамента США)
И наоборот, восстановив хороший пахот-
ный слой из подпочвы, можно увеличить
урожайность в шесть раз.
Это чрезвычайно важный вывод, так
как гумус не вечен. Будучи естественным
органическим веществом, он, несмотря на
неусвояемость организмами, разлагается
со скоростью от 20 до 50% своего объема
в год в зависимости от условий. Сле-
довательно, без периодического поступ-
ления обильного детрита гумус посте-
пенно разрушится. При этом будут утра-
чены почвенная структура и все свойства,
которые она обусловливает. Такую по-
терю гумуса, а в результате и пахотного
слоя называют минерализацией, так как
в результате остается только сыпучая
минеральная часть почвы-песок, пыль
и глина (рис. 7-14). Например, домашние
растения необходимо время от времени
пересаживать, так как богатая гумусом
«горшочная почва» минерализуется. Од-
нако гораздо более серьезно обстоит дело
с огромными площадями сведенных под
сельскохозяйственные угодья тропических
лесов, ставшими неплодородными из-за
минерализации почвы.
Остальная почвенная биота
Существуют и иные взаимодействия
между растениями и почвенной биотой.
Одно из них-взаимовыгодные симбиоти-
ческие отношения между корнями неко-
торых растений и определенными почвен-
ными грибами. Множество грибных ни-
тей, так называемая микориза, окружает
корни. Некоторые нити проникают в
растение и извлекают из него питатель-
ные вещества, но они же распространяют-
ся в почве и помогают растению вса-
сывать биогенные элементы (рис. 7-15).
Другое важное взаимодействие связано
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
201
Окисление
гумуса
Минерализация
пахотного
слоя
Отсутствие
детрита
Поступление
детрита
[Подпочва |
|Подпочва[
Потери гумуса приводят к
ухудшению:
“водоудерживающей способности
-ионооБменной емкости
-структуры, а в результате:
“аэрации
-инфильтрации
Повышение содержания гуму-
са улучшает:
-водоудерживающую способность
-ионооБменную емкость
-структуру, а в результате
-инфильтрацию
-аэрацию
Формирова- ?
ние пахотно-ь
го слоя
Рис. 7-14. Формирование и минерализация
пахотного слоя. Сам он-результат динамичес-
кого равновесия между поступлением органи-
ческого вещества, приводящего к образованию
гумуса, и потерями его за счет разложения
и окисления, т. е. минерализации. В зависи-
мости от интенсивности этих процессов
меняются свойства почвы, влияющие на
развитие растений
с ролью почвенных бактерий в кругово-
роте азота, обсуждавшейся в гл. 2.
Однако не все почвенные организмы
полезны. Мелкие черви-нематоды, пи-
таясь живыми корнями, наносят значи-
тельный ущерб ряду сельскохозяйствен-
ных культур. Однако в здоровой почвен-
ной экосистеме численность нематод мо-
Рис. 7-15. Микориза. Почвенные грибы, или
микориза, помогают многим растениям
поглощать биогены. Показан срез корня
с микоризой, связывающей его клетки с почвен-
ными частицами
жет контролироваться другими организ-
мами, например грибом, образующим
мелкие капканы, чтобы ловить нематод
и питаться ими (рис. 7-16).
Органические и минеральные
удобрения
Среди фермеров и садоводов сущест-
вуют значительные разногласия относи-
тельно использования органических и
202
4. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Рис. 7-16. Паразитирующая на корнях почвен-
ная нематода (круглый червь), захваченная
удавливающими кольцами гриба-хищника
Arthrobotrys anchonia (с любезного разрешения
Nancy Allin, О. L. Barron, Гвелфский универ-
ситет)
минеральных удобрений. Понимание про-
цесса и значения формирования пахотно-
го слоя позволяет разобраться в этом
вопросе. Во-первых, выращивание расте-
ний гидропонным методом ясно демонст-
рирует, что они прекрасно себя чувству-
ют, получая только минеральные биогены
из водного раствора. Значит, необходи-
мость для питания растений органических
соединений почвы не доказана. Используя
неорганические удобрения, можно весьма
эффективно и экономично обеспечить
оптимальное количество минеральных
биогенов, т. е. это их преимущество оче-
видно. Недостаток минеральных удобре-
ний появляется при попытке заменить
ими поступление детрита. Без внесения
в почву достаточного его количества ее
БОГАТАЯ ГУМУСОМ
СТРУКТУРА ПОЧВЫ,
а значит, хорошая:
Инфильтрация
Водоудерживающая способность
ИонооБменная емкость
Азрация ж
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
203
организмы голодают, содержание гумуса
падает, и все необходимые свойства схо-
дят на нет по мере минерализации па-
хотного слоя и разрушения структуры.
С другой стороны, использование в
качестве удобрений только органического
вещества может не обеспечить достаточ-
ного поступления некоторых биогенов,
особенно мульчирование почвы корой
и древесными опилками, предохраняю-
щими от эрозии и сберегающими поч-
венную влагу, но крайне бедными пита-
тельными элементами. Почвенные мик-
роорганизмы могут даже извлекать био-
гены из почвы в процессе потребления
таких материалов, обедняя ее при этом за
очень короткое время.
Служба по развитию сельского хозяй-
ства, имеющая свои отделения в каждом
округе США, проводит анализ образцов
почвы и дает рекомендации относительно
необходимых ей биогенов. При этом
разумное сочетание минеральных удобре-
ний с внесением органического вещества
для защиты и поддержания пахотного
слоя может обеспечить наилучшие зем-
ледельческие результаты. Наконец, чере-
дование бобовых, фиксирующих азот (см.
гл. 2), с другими культурами, т. е. пра-
вильный севооборот, позволяет обогатить
почву как азотом, так и органическим
веществом.
Взаимозависимость
растений и почвы
Теперь попробуем наглядно предста-
вить себе взаимозависимость, существую-
щую между почвой и растущими на ней
растениями. Последние обеспечивают
пищей почвенную экосистему, которая
нужна для поддержания пахотного слоя
в состоянии, наилучшем для развития
растений (рис. 7-17).
Растения предохраняют почву и дру-
гими способами. Наиболее успешно рас-
тительный покров защищает ее от эрозии,
на чем мы подробнее остановимся в сле-
дующем разделе, а покров из органоген-
ного материала существенно сокращает
потери воды от испарения, не препятствуя
инфильтрации. Это вместе с высокой во-
доудерживающей способностью пахотно-
го слоя делает процент доступных расте-
ниям осадков максимальным.
Как и все экологические связи, вза-
имоотношения между почвой и расти-
тельностью представляют собой динами-
ческое равновесие, а не стационарное со-
стояние. Деградация почвы-это своего
рода цепная реакция, которую со време-
нем все труднее остановить или обратить.
Ухудшение земель снижает продуктив-
ность растений, что означает снижение
количества детрита для формирования
гумуса, а также защиты почвы от эрозии
и потерь воды за счет испарения. Эти
последствия ведут к дальнейшей дегра-
дации почвы, еще меньшей продуктивнос-
ти растений и т.д. до тех пор, пока не
останется голый грунт (рис. 7-18). По-
рочный круг можно разорвать, применив
подходящее мульчирование и возобновив
растительный покров, что и дорого, и
очень медленно. Для этого может пот-
ребоваться несколько десятков или даже
сотен лет. Отсюда ясна первостепенная
Рис. 7-18. Деградация почвы может идти по
порочному кругу. На деградированной почве
развивается меньше растений, а это приводит
к ее дальнейшей деградации
204
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
важность охраны почв. Следующие раз-
делы демонстрируют, что необходимо
делать для этого.
Потери почвы
Если мы хотим, чтобы человечество
устойчиво развивалось, следует осознать
типы отрицательного воздействия на поч-
ву и принять меры для борьбы с ними.
Голая почва, эрозия
и опустынивание
Самое разрушительное влияние на
почву оказывает эрозия, т. е. процесс
захватывания частиц почвы и их выноса
водой или ветром. Вынос может быть
медленным и слабым, когда почва по-
степенно выдувается в ходе ветровой
эрозии, но бывает и катастрофическим,
когда водная эрозия образует глубокие
Рис. 7-19. Сельскохозяйственные угодья часто
сильно страдают от эрозии, так как культурные
растения не обеспечивают сплошного защит-
ного покрова почвы (Сельскохозяйственный
департамент США)
промоины после одного сильного ливня
(рис. 7-19).
Обычно растительный покров или
естественный опад (опавшие листья и
другой детрит) обеспечивают защиту от
всех форм эрозии. Энергия удара дож-
девых капель рассеивается этим мате-
риалом, и вода постепенно проникает
в почву, не разрушая ее структуры. При
инфильтрации поверхностный сток сок-
ращается. Когда он все-таки имеет место,
растительный покров или опад замед-
ляют скорость воды настолько, что ее
энергии не хватает для захвата частиц
почвы. Особенно хорошо предохраняет от
эрозии газон, так как, будучи хорошо
закрепленной в почве, трава в случае
увеличения скорости и объема поверх-
ности стока просто полегает, образуя
гладкий ковер, по которому вода может
течь, не нарушая нижележащую почву.
Аналогичным образом растительность
снижает скорость ветра и удерживает
почвенные частицы (рис. 7-20).
К сожалению, распашка и культива-
ция, перевыпас и сведение лесов, прово-
димые в широких масштабах во имя
обеспечения населения земли продоволь-
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
205
Разбрыз-
гивание
Незащищенная почва
Пахотный
слой
Подпочва
Защищенная почва
Ветер
Рис. 7-20. Эрозия. Обнаженная почва чрезвы-
чайно к ней чувствительна. Удары падающих
дождевых капель разбивают почвенные
агрегаты. Тонкие частицы гумуса, глины
и пыли легко уносятся потоками воды или
ветром, оставляющими только грубый песок
и камни, устойчивые к плоскостной эрозии.
Растительный покров защищает почву от всех
видов эрозии
ствием, оставляют почву обнаженной
и вызывают беспрецедентную эрозию,
лишь подрывающую будущее плодоро-
дие. Сначала рассмотрим собственно
процесс эрозии и его масштабы, чтобы
понять, каким образом он снижает про-
дуктивность. Затем обратимся к способам
решения этой проблемы.
Водная эрозия начинается с капельной
эрозии, т. е. действия падающих дождевых
капель, разбивающихся об обнаженную
почву (рис. 7-21). Вспомните комковатую,
агрегированную структуру пахотного
слоя. Когда дождевые капли ударяются
об его голую поверхность, они разбивают
Резуль-
тат
почвенные комки и агрегаты, а мелкие
частицы закупоривают поры и простран-
ства между другими агрегатами, ухудшая
в результате как аэрацию, так и инфильт-
рацию. Вода может застаиваться в лужах
и затапливать растения. Но, что более
серьезно, снижение инфильтрации увели-
чивает поверхностный сток, а это при-
водит к дальнейшему развитию эрозии.
Стекая по поверхности, вода подхва-
тывает и уносит частицы почвы. Равно-
мерное их вымывание с поверхности на-
зывается плоскостной эрозией. Часто не-
большие камешки закрывают под собой
почву от совместного воздействия ка-
пельной и плоскостной эрозии и остают-
ся, как бы возвышаясь на пьедестале, что
дает возможность судить о мощности
смытого слоя почвы (рис. 7-22).
По мере развития поверхностного
стока вода сливается в ручейки, в которых
обладает большими объемом, скоростью
и энергией, а следовательно, и большей
способностью захватывать и уносить
почвенные частицы. В результате вымы-
206
4. Ill. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Рис. 7-21. Капельная эрозия. Капли дождя,
бьющие по обнаженной почве, разрушают ее
структуру и приводят к закупорке пор. Это
ухудшает аэрацию и инфильтрацию, увеличи-
вая поверхностный сток (фото Сельскохозяйст-
венного департамента США, Служба охраны
почв)
ваются русла различных размеров. Когда
образуется множество мелких русел, эро-
зию называют струйчатой, а когда не-
сколько крупных-овражной (рис. 7-23).
Очень важным свойством эрозии яв-
ляется то, что она захватывает и уносит
частицы почвы дифференцированно, т. е.
в зависимости от их веса. Более тонкие
и легкие частицы гумуса и глины вы-
мываются первыми, тогда как грубый
песок, камни и выходы породы остаются.
(Обычно люди считают, что глина с
трудом поддается эрозии, так как пред-
ставляют ее себе в виде твердых, похожих
на кирпич комьев. Однако попробуйте
полить водой комок сухой глины, и Вы
увидите, что стекающая с него вода очень
грязная. Значит, частицы глины легко
разделяются и переходят в водную сус-
пензию.)
Чем сильнее поток воды или ветра,
тем более тяжелые частицы он может
увлечь, но вынос всегда дифференцирован-
ный. Следовательно, эрозия, удаляя тон-
кие частицы, делает почву все более
и более грубой (песчаной, затем каме-
нистой). Грубозернистые почвы вообще
часто говорят о прошлой или современ-
ной эрозии (рис. 7-24). Задумывались ли
Вы когда-нибудь, почему в пустынях
столько песка? Песок-это то, что остает-
ся; более легкие частицы глины и пыли
унесены ветром.
Вспомним, что для удержания воды
и биогенов важнее всего глина и гумус. По
мере того как эти компоненты выносятся
в результате эрозии, разрушается пахот-
ный слой почвы и резко снижается его
способность снабжать растения всем не-
обходимым. В регионах, где выпадает
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
207
Рис. 7-22. Плоскостная эрозия. Камешки
защищают почву под собой от капельной
и плоскостной эрозии. По мере ее размывания
они оказываются как бы на пьедесталах,
высота которых показывает, как много унесено
почвы (фото Сельскохозяйственного департа-
мента США, Служба охраны почв)
только 10-30 дюймов (25-75 см) осадков
в год, потеря водоудерживающей способ-
ности в результате эрозии - особенно
серьезная проблема. Исходно в таких
местах существовали высокопродуктив-
ные злаковники. С потерей водоудержи-
вающей способности почвы они дегради-
руют до зарослей засухоустойчивых пус-
тынных видов. Другими словами, в ре-
зультате эрозии земля может терять пло-
дородие до тех пор, пока не превратится
в пустыню, т. е. происходит ее опусты-
нивание.
Итак, почва, не защищенная расти-
тельным покровом, страдает от ветровой
и водной эрозии. Когда разрушается
и уносится ее верхний плодородный слой,
плодородие резко падает (вспомните экс-
перименты, демонстрировавшие потерю
урожайности на 85% в результате унич-
тожения пахотного слоя). Конечным ито-
гом может быть не более (и не менее) чем
Рис. 7-23. Струйчатая и овражная эрозия.
Вода, стекающая по поверхности, обычно
сливается в потоки со все большим объемом,
скоростью и энергией. Почва эродируется
в соответствии с сетью сходящихся ручьев
и оврагов все увеличивающегося размера (фото
Сельскохозяйственного департамента США,
Служба охраны почв)
208
4. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
голый «пустынный» ландшафт, практи-
чески лишенный растительности.
Причины потерь почвы
Важнейшими причинами, приво-
дящими к обнажению почвы в результате
эрозии и опустыниванию, являются: (1)
Рис. 7-24. Эрозия уносит мелкие частицы
легче, чем крупные, поэтому почва, подвержен-
ная эрозии, становится все более опесчаненной
и каменистой. На снимке--грубозернистая
почва, оставшаяся после ветровой эрозии,
вызванной перевыпасом, уничтожившим
здешнюю растительность (Russ Kinne/Photo
Researchers)
выпахивание, (2) перевыпас, (3) сведение
лесов, а кроме того, засоление почв при
орошении.
Выпахивание
Традиционно первым этапом в выра-
щивании урожая была и в значительной
мере остается распашка. Пашут для того,
чтобы уничтожить сорняки, т. е. дикорас-
тущие виды, успешно конкурирующие за
воду и биогены с культурными растения-
ми. Без борьбы с сорняками земледелец
Рис. 7-25. Опустынивание. Это двустадийный
процесс. Сначала перевыпас уничтожает за-
щитный травяной покров. Затем эрозия сокра-
щает водоудерживающую способность и запас
биогенов почвы, избирательно удаляя гумус
и глину. В результате значительно снижается
возможность восстановления и рекультивации
почв, так как в эродированном виде они
способны обеспечивать произрастание лишь
немногих пустынных видов (фото Сельско-
хозяйственного департамента США, Служба
охраны почв)
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
209
Рост трав поддерживает выпас,
но постепенная деградация
почвы и ластвища медленно
снижает продуктивность
Выпас уничтожил
траву. Очень
быстрая деграда-
ция почвы
Годы
-----Потребление скотом------
Б
Рис. 7-26. А. Перевыпас начинается с медлен-
ного ухудшения пастбищ и постепенного
сокращения продуктивности трав. Развязка
может наступить совершенно внезапно, когда
биомасса растений перестанет соответство-
вать потребностям скота и тот съест все
подчистую. Б. Опустынивание в Сахельской
зоне Африки. Этот скот был забит, прежде чем
погиб от голода (Photo Researchers/© 1975,
Victor Englebert)
получцт заросшее ими поле и очень
низкий урожай, если он вообще будет.
Переворачивая верхний слой почвы, сор-
няки засыпают и как бы «удушают».
Недостаток при этом - открытие почвы
воздействию водной и ветровой эрозии.
Более того, она может оставаться неза-
щищенной значительную часть года, пока
культура не сформирует на ней сплошной
покров, а также после жатвы. Особенно
сильно страдают от поверхностного стока
и эрозии склоны. В засушливых регионах
ветровая эрозия может наносить тяжелый
урон независимо от положения участка
в рельефе.
Часто неправильно считают, что
вспашка и культивация необходимы для
«разрыхления» почвы, т. е. улучшения
аэрации и инфильтрации. Обычно эффект
как раз противоположный. Капельная
эрозия разрушает комковатую структуру
почвы и утрамбовывает ее поверхность,
так что аэрация и инфильтрация ухуд-
шаются, а поверхностный сток увеличи-
вается. Уплотнение происходит и за счет
веса применяемых при вспашке тракто-
ров. Распаханная земля теряет больше
влаги вследствие испарения, что усугуб-
ляет проблему понижения инфильтрации
и водоудерживающей способности.
Перевыпас
Угодья, где выпадает слишком мало
осадков для выращивания культурных
растений, традиционно использовались
210
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
для выпаса скота. К сожалению, такие
земли часто подвергаются перевыпасу.
Это означает, что трава съедается быст-
рее, чем может возобновляться; резуль-
тат-ее отмирание, обнажение «пахотно-
го» слоя и воздействие на него эрозии.
Такие земли особенно жестоко страдают
от ветровой эрозии и последующего опус-
тынивания (рис. 7-25).
Опустынивание пастбищ-не простой
процесс. Пастухи могут считать, что
численность их стада не превышает ем-
кости среды, т. е. количества животных,
которое может прокормиться без ущерба
для экосистемы. Однако при интенсивном
выпасе уменьшается поступление в почву
детрита, необходимого для возобновле-
ния гумуса. Значит, в течение многих лет
может происходить постепенная минера-
лизация почвы, которую трудно заме-
тить. Затем ухудшение почвы и, может
быть, ненормально сухой год приводят
к падению продуктивности травы ниже
требуемого для выпаса уровня. Расти-
тельность стравливается, земля оголяет-
ся, начинается эрозия и запускается цикл
все усиливающейся деградации почвы
и падения продуктивности пастбищ. Так
на первый взгляд богатые земли неожи-
данно и часто катастрофически быстро
превращаются в бесплодные пустыни
(рис. 7-26). Огромные площади пашен
и пастбищ уже частично опустынены
(табл. 7-4). Внезапность наступления пос-
ледней стадии опустынивания не позво-
ляет строить радужных прогнозов.
Сведение лесов
Лесной покров особенно эффективно
предохраняет от эрозии и удерживает
почвенную влагу, так как принимает на
себя удары дождевых капель и позволяет
воде впитываться в рыхлый «пахотный»
слой почвы, покрытый опадом. Исследо-
вания в лесу Хаббард-Брук (шт. Нью-
Гэмпшир) показали, что поверхностный
сток с облесенного склона на целых 50%
меньше, чем с аналогичного склона, по-
росшего травой. Более того, леса особен-
но эффективно усваивают элементы пи-
тания, высвобожденные при разложении
детрита, т. е. рециклизируют их. Те же
исследования показали, что после сведе-
ния леса вымывание азота из почвы
увеличивается в 45 раз. Таким образом,
вырубка чревата не только эрозией почвы,
но и обеднением ее биогенами. Кроме
того, потоки воды и снос почвы с оголен-
ных склонов вызывают затопление и
заиление сельскохозяйственных и водных
экосистем в низинах.
Леса сводятся по трем основным при-
чинам: (1) освоение новых территорий под
сельское хозяйство; (2) получение древе-
сины для строительства, деревообраба-
Таблица 7-4. Опустыненные плодородные земли засушливых регионов ° (World Resources 1986.
Washington, D. C.: World Resources Institute)
Регион Площадь, млн. акров Процент21 опустынен- ных земель
Судано-Сахельская Африка 1175 88
Южная Африка 755 80
Средиземноморская Африка 250 83
Западная Азия 335 82
Южная Азия 750 70
Азиатская часть бывшего СССР 725 55
Китай и Монголия 762,5 69
Австралия 1222,5 23
Средиземноморская Европа 175 39
Южная Америка и Мексика 702,5 71
Северная Америка 962,5 40
Всего 7815 61
п Включая пастбища и пахотные земли с минимальным количеством осадков. 2) В сумме: от умеренно (потеря плодородия менее 25%) до сильно опустыненных (потеря плодородия более 50%).
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
211
Рис. 7-27. Особенно сильно от эрозии страда-
ют склоны, на которых полностью вырублены
леса. Возникает ландшафт, показанный на
снимке (фото Victor Englebert, Photo
Researchers)
тывающей и бумажной промышленности;
(3) получение топлива для приготовления
пищи и обогрева. Развитые страны пе-
режили массовую вырубку лесов еще до
и во время Промышленной революции,
что привело к тяжелым для них послед-
ствиям (рис. 7-27). Многие земли намного
снизили плодородие. На северо-западе
и в некоторых других районах США до
сих пор проводятся сплошные рубки леса
и наблюдаются последствия этого (рис.
7-28).
Однако промышленно развитые стра-
ны в целом осознали эту проблему и
в настоящее время восстанавливают леса
со скоростью, равной или большей ско-
рости их вырубания. Во многом это стало
возможным благодаря следующему:
- низкий прирост населения и увели-
чение урожайности сельского хозяйства
существенно снизили потребность в до-
полнительных сельскохозяйственных зем-
лях;
- использование древесных отходов
(стружек, опилок) для изготовления прес-
сованных материалов сократило потреб-
ности в древесине;
- совершенствование ухода за лесами
повышает их продуктивность;
- ископаемое топливо и электричество
снижают потребности в древесине как
в топливе.
Однако в развивающихся странах си-
туация во многом обратная:
- быстрый рост населения и низкий
уровень занятости приводят к увеличению
числа людей, вырубающих леса на эро-
Рис. 7-28. Особенно сильно от эрозии страда-
ют склоны, на которых вырублены леса.
Национальный парк Олимпик, шт. Вашингтон
(Photo Researchers/© 1987 Calvin Larsen)
212
Ч, III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Рис. 7-29. Около 2,5 млрд, людей, преимущест-
венно в слаборазвитых странах, до сих пор
зависят от наличия дров для приготовления
пищи. Женщины, на которых падает забота
о домашнем хозяйстве, проходят многие мили
и тратят большую часть своего дня на поиски
и доставку топлива
зионно опасных склонах для ведения под-
собного хозяйства, обеспечивающего всего
лишь собственное выживание;
- использование древесины часто рас-
точительно и малоэффективно. Под сельс-
кохозяйственные земли леса просто вы-
жигают, не пытаясь использовать древе-
сину. Способы отопления деревом и про-
изводства древесного угля неэкономичны;
- в лесах добывают ценные породы
дерева, стремясь быстро получить мак-
симальный доход и не думая о восста-
новлении древостоя и долговременном
уходе за ним;
- примерно для двух третей населения
Рис. 7-30. Оросительный канал. Такие каналы
создаются для подачи воды оттуда, где ее
много, туда, где она необходима для орошения
(Gary М. Handsher/Photo Researchers)
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
213
Рис. 7-31. Орошение затоплением-традицион-
ный метод, при котором поля периодически
заливаются водой (фото Сельскохозяйствен-
ного департамента США)
развивающихся стран (около 2,5 млрд,
человек) эра современной энергетики еще
не наступила. Дрова все еще нужны для
обогрева и приготовления пищи (рис.
7-29). Даже в городах многие используют
древесный уголь, производимый в сель-
ской местности путем вырубания и об-
жига древесины. Приблизительно 60%
этих людей (1,5 млрд, человек) вырубают
леса быстрее, чем те растут. В некоторых
странах вырубка идет в пять раз быстрее
лесовозобновления. Многие уже достигли
такого отчаянного положения, что жгут
собираемые с земли помет животных
и естественный опад. Следовательно, зем-
ля лишается не только леса, но и детрита,
защищающего почву и обеспечивающего
ее гумусом и биогенами. Все расширяю-
щиеся опустыненные территории, не про-
изводящие ни пищи, ни топлива, окру-
жают деревни и городские центры многих
слаборазвитых стран. Очевидно, их ждет
лишь усугубление человеческих бедствий.
Слишком часто хищнической эксплуа-
тации лесов способствует недальновидная
политика правительства. Например, в
Бразилии фактически субсидируется све-
дение дождевых тропических лесов под
пастбища.
Орошение, засоление и опустынивание
Орошение, т. е. искусственное снабже-
ние водой пахотных земель, способство-
вало существенному увеличению сельско-
хозяйственной продукции в регионах,
обычно получающих недостаточное коли-
чество осадков. Орошаемые земли в раз-
витых и в развивающихся странах зани-
мают около 330 млн. акров (130 млн. га).
Традиционно вода подводилась к ним из
рек по каналам (рис. 7-30) и текла на поля
по бороздам (рис. 7-31). В последние годы
гораздо более популярным стало круговое
дождевание, при котором вода закачи-
вается из центрального колодца в мед-
ленно вращающуюся вокруг него ги-
гантскую разбрызгивающую установку
(см. рис. 8-17).
В обоих случаях орошение может
привести к засолению, т. е. увеличению
солености почвы до уровня, не перено-
симого растениями, так как даже лучшая
поливная вода содержит по меньшей мере
214
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Рис. 7-32. Многие акры орошаемых земель
теперь бесплодны из-за накопления солей,
остающихся после испарения воды; это явление
называют засолением (с любезного разрешения
опытной сельскохозяйственной станции
Эль-Пасо, Техас)
200-500 млн-1 солей, перешедших в нее
из грунта. Соль вымывается и из ми-
неральных частиц самой орошаемой поч-
вы. По мере того как вода теряется на
испарение и транспирацию, остающиеся
в почвенном растворе соли могут накап-
ливаться в количестве, препятствующем
развитию растений (рис. 7-32). Засоление
считается одной из форм опустынивания.
Как показано в табл. 7-5, 30% всех
орошаемых земель уже засолены, т.е.
пропала стоимость и оросительной сис-
темы, и самой земли, причем каждый год
дополнительно засаливается еще 2,5-
3,7 млн. акров. В США эта проблема
особенно остро стоит в нижнем бассейне
реки Колорадо и долине Сан-Хоакин
в Калифорнии, где около 160000 га земли
потеряли плодородие, что составило эко-
номические потери более 30 млн. дол-
ларов в год. Проблему осложняет исто-
щение запасов воды вследствие ее рас-
ходов на орошение. Подробнее мы рас-
смотрим это в гл. 8.
Таблица 7-5. Орошаемые земли, опустыненные вследствие засоления (World Resources 1986.
Washington, D. С.: World Resources Institute)
Регион Площадь, млн. акров Процент опустыненных земель
Судано-Сахельская Африка 7,5 30
Южная Африка 5,0 30
Средиземноморская Африка 2,5 40
Западная Азия 20,0 40
Южная Азия 147,5 35
Азиатская часть бывшего СССР 20,0 25
Китай и Монголия 25,0 30
Австралия 5,0 19
Средиземноморская Европа 15,0 25
Южная Америка и Мексика 30,0 33
Северная Америка 50,0 20
Всего 327,5 30
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
215
Рис. 7-33. Эрозия снижает почвенное плодоро-
дие. У каменистой почвы справа от изгороди
такая низкая водоудерживающая способность,
что трава здесь больше не растет. Это
результат уничтожения защитного травяного
покрова вследствие перевыпаса. Затем в ходе
эрозии был утрачен тонкодисперсный мате-
риал, а остался только грубозернистый. Обра-
тите внимание на перепад в 10—15 см на
границе участков. Так как эродированная почва
теперь способна обеспечить произрастание
только пустынных видов, этот процесс часто
называют опустыниванием (фото Сельско-
хозяйственного департамента США)
Масштабы проблемы
Эрозия и ее последствия известны
давно. Продовольствие, которым снаб-
жалась Римская империя, выращивалось
в основном на богатых, плодородных
землях Северной Африки, в настоящее
время представляющих собой пустыню.
Многие историки пришли к выводу, что
эрозия и вызванное ей опустынивание
этих земель сыграли немаловажную роль
в падении Римской империи. В США
в результате эрозии стали неплодород-
ными около 20% исходных сельскохо-
зяйственных земель (рис. 7-33). Китай
из-за этого же потерял около трети своих
земель; во многих других странах поло-
жение не лучше или даже хуже.
Тем не менее человечество еще не
усвоило урок истории. Эрозия набирает
силу, так как рост населения и эконо-
мические трудности толкают людей на
вырубание лесов, распашку склонов и
малоплодородных засушливых террито-
рий, а также на использование методов
интенсивного земледелия, ненадолго по-
вышающих урожаи за счет дополнитель-
ной эрозии. Процессы выветривания и
почвообразования сильно зависят от
климата и систава материнской породы.
Однако в среднем почва формируется со
скоростью приблизительно 12,5 т/га в
год, что составляет ее слой толщиной
около 0,4 см. Значит, почвы могут выдер-
живать эрозию с такой же скоростью,
оставаясь в состоянии равновесия. Пе-
чально, что на большинстве лесных и
пахотных земель этот баланс нарушен.
Там, где проводилось достаточно из-
мерений для получения реалистических
выводов, скорость эрозии часто оказы-
валась в 2—10 раз выше допустимого
216
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Таблица 7-6. Эрозия пахотных земель в некоторых странах (World Resources 1986. Washington,
D. С.: World Resources Institute)
Страна Регион Процент пострадавших площадей Скорость эрозии, т/акр в год
США Все пахотные земли 19 3,84
Китай Лессовое плато 6,4 4,4-100,4
Индия Сильно пострадавшие пахотные земли 27 30
Эфиопия Центральное нагорье 43 13,6
Перу Вся страна 100 6
Мадагаскар Пахотные земли 79 10 100
Непал Вся страна 100 14-28
уровня, причем в ряде случаев ею затро-
нуты целые страны (табл. 7-6). Эта проб-
лема, касается не только Третьего мира.
В начале 1980-х гг. почти 40% пахотных
земель США страдали от избыточной
эрозии. По существу, американские фер-
меры отдавали около 6 т пахотного слоя
почвы за каждую тонну произведенного
зерна (рис. 7-34). По всему миру потери
почвы с полей, согласно оценке Инсти-
тута мировой статистики за 1984 г.,
достигли приблизительно 23 млрд, т
в год. Это эквивалентно пахотному слою
на площади около 9,2 млн. га, т. е.
территории штата Индиана.
Рис. 7-34. Слабое покрытие почвы растениями
кукурузы приводит к очень сильной эрозии
(J. Р. Jackson/Photo Researchers)
Исключительное коварство эрозии
проявляется в том, что потеря первых
20-30% пахотного слоя может почти не
сказываться на урожайности, компенсиро-
ваться дополнительным внесением удоб-
рений и благоприятным распределением
осадков, маскирующими снижение водо-
удерживающей способности и ионооб-
менной емкости почв. Однако при даль-
нейших потерях пахотного слоя снижение
урожайности и чувствительность к засу-
хам становятся все более и более замет-
ными. Это очень тревожный факт, так как
от 40 до 90% плодородных засушливых
земель (территорий, получающих мини-
мальное необходимое для земледелия
количество осадков) на различных кон-
тинентах уже как минимум умеренно
опустынены, что означает уже четкое
снижение урожайности (рис. 7-35, 7-36).
В Эфиопии события достигли конеч-
ной стадии. В 1978 г. посольство США
в этой стране сообщило о назревающей
экологической трагедии, так как с пло-
дородных возвышенностей страны сноси-
лось более 1 млрд, т пахотного слоя в год,
в основном из-за вырубки лесов на топ-
ливо. Теперь большая часть региона
сильно опустынена и не пригодна даже
для ведения подсобного хозяйства, не
говоря уже о производстве продовольст-
вия на продажу. Результат этого-голод
1985 и 1988 гг. Вероятно, некоторым
другим странам Азии и Африки пред-
стоит пройти такой же путь, если в
ближайшем будущем не будут приняты
решительные меры по защите почв.
Потери пахотного слоя и снижение
урожайности создают дополнительные
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
217
Рис. 7-35. Склоны, стравленные пасущимися
овцами. Можно видеть признаки эрозии
и потери продуктивности, т. е. опустынивания
(Yva Momatuk/Photo Researchers)
проблемы. Почва, унесенная с поверхно-
сти земли эрозией, засоряет русла рек,
нарушая продуктивные водные экосис-
темы и вызывая затопление сельскохо-
зяйственных площадей на низменностях.
Кроме того, если вода стекает по по-
верхности почвы, а не впитывается в нее,
это приводит к истощению грунтовых вод
и других источников влаги, что подробнее
рассмотрено в гл. 8. Далее, эродирован-
ные почвы часто слишком уплотнены
и/или неустойчивы для закрепления на
них всходов. Их корни не заглубляются,
и сами они смываются или погибают при
высыхании поверхностного горизонта
почвы. Таким образом, опустыненные
территории не восстанавливаются сами
собой, остаются голыми и продолжают
эродироваться неограниченно долго.
Предупреждение эрозии
и опустынивания
Эрозия и опустынивание - результат
беспечного невнимания к окружающей
среде. Вполне можно их контролировать
и предупреждать.
Предупреждение эрозии:
традиционные методы
Традиционные методы контроля поч-
венной эрозии включают: контурную
вспашку, узкополосный (ленточный) посев,
создание полезащитных полос и терра-
сирование.
Контурная вспашка-это вспашка и
культивация земли перпендикулярно
склону. В результате вода задерживается
бороздами, получает больше времени
для впитывания, предотвращается по-
верхностный сток и эрозия (рис. 7-37).
Узкополосный посев-это чередование по-
лос высеваемой культуры, например ку-
курузы, и травы. Почва, уносимая с
распаханных полос, задерживается тра-
вой, что препятствует сплошному распро-
Рис. 7-36. Пустыни и области, подверженные опустыниванию. Во всем мире перевыпас и/или сведение лесов приводят к вырождению
территорий с низким количеством осадков в пустыни (из кн. “Desertification: Its Causes and Consequences”, United Nations Conference on
Desertification, Naibori, 1977. Copyright 1977, Pcrgamon Books Ltd.)
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
219
Рис. 7-37. Контурная обработка почвы.
Вспашка вверх-вниз по склону способствует
стеканию воды по бороздам и чревата сильной
эрозией. Проблема может быть решена путем
вспашки и культивации по линиям, перпенди-
кулярным уклону. В таких случаях исполь-
зуются также узкополосные культуры (фото
Сельскохозяйственного департамента США)
сгранению эрозии. Такой посев особенно
эффективен при борьбе с ветровой эро-
зией (рис. 7-38). Контурную вспашку
и ленточный посев часто применяют
одновременно. Полезащитные полосы, т. е.
ряды деревьев, окружающие поля, также
замедляют ветер, препятствуя тем самым
ветровой эрозии. Террасирование-это
оформление склонов в виде ступеней (рис.
7-30), чтобы вода не стекала по ним вниз.
В древности террасировались очень кру-
тые склоны, но применять на таких зем-
лях современные машины невозможно
(рис. 7-39).
Предупреждение эрозии:
новые методы
Беспахотное земледелие. Вспомним,
что цель вспашки и культивации-это
борьба с сорняками. Альтернативой ста-
ли химические гербициды (яды для сор-
няков), впервые созданные в начале
1960-х гг. Сейчас беспахотное земледелие
широко распространено на востоке и в
некоторых других районах США. Поле
сначала опрыскивают гербицидами, затем
по нему проходит трактор с сеялкой,
выполняющей сразу несколько операций.
Стальной диск прорезает сквозь мертвые
остатки сорняков борозду, в нее сыпятся
семена и удобрения, затем она закрыва-
ется (рис. 7-40). Новые всходы прора-
стают сквозь мульчу и развиваются так
же хорошо или даже лучше, чем на пашне,
вероятно, потому, что почва лучше со-
храняет воду (рис. 7-41). После уборки
остатки предшествующей культуры ста-
новятся источником детрита и мульчи для
следующей. Таким образом, почва никог-
да не остается открытой, эрозия сводится
к минимуму, и всегда присутствует детрит
для сохранения и возобновления плодо-
родного слоя.
Беспахотное земледелие дает и неко-
торые дополнительные преимущества.
Во-первых, оно сильно экономит время
(затраты труда). Во-вторых, экономится
энергия (тракторное топливо), так как за
одну операцию выполняется то, для чего
раньше требовалось как минимум три-
вспашка, дискование и сев. В-третьих,
поскольку нужен всего один проход трак-
тора, сводится к минимуму уплотнение
почвы. В-четвертых, можно сеять весной
в оптимальное время, тогда как ранее
часто приходилось дожидаться, пока поч-
ва станет достаточно сухой для вспашки.
Ранний сев и возможность посеять вто-
в
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
221
Рис. 7-38. А. Почва, отложившаяся у изгороди,
свидетельствует о ветровой эрозии на поле
справа (Dean Krakel/Photo Researchers). Б.
Ветровая эрозия особенно сильна, когда ветер
не встречает препятствий. В. Узкополосные
культуры (с чередующимися полосами травы)
создают воздушные вихри у поверхности, что
значительно ослабляет эрозию
рую культуру сразу после уборки первой
позволяют удвоить годовой урожай. Эти
особенности обычно объясняют экономи-
ческое превосходство беспахотного зем-
леделия, дополняющее его противоэро-
зионные преимущества.
Однако этот метод имеет и недостат-
ки. Наиболее очевидный из них-приме-
нение химикатов, способных вызвать не-
желательные побочные эффекты. Некото-
рые опасные вредители, включая мышей,
слизней, насекомых, а также фитопато-
гены, популяции которых ранее снижала
вспашка, могут зимовать в ненарушенной
почве и в остатках старого урожая на ее
поверхности. Помимо гербицидов иногда
требуются и другие химикаты для борьбы
с ними. В целом беспахотное земледелие
расходует в два-четыре раза больше
пестицидов, чем традиционные методы.
Кроме того, сорняки постепенно выра-
батывают устойчивость к гербицидам,
что приводит к повышению их доз. На-
конец, использование гербицидов, тре-
бующее специальных навыков и обору-
дования, и не практично, и не безопасно
при мелкомасштабных операциях.
Однако принципы беспахотного зем-
леделия можно применять в подсобных
хозяйствах развивающихся стран и без
гербицидных обработок. Обильное по-
крытие почвы мульчой из листьев, ос-
татков травы или других органических
отходов служит для:
- защиты от эрозии;
- подавления роста сорняков (прорас-
тающие сорняки легко вырвать и доба-
вить к мульче);
Рис. 7-39. Террасированные рисовые поля
в горах Филиппин. Эти террасы были созданы
древними цивилизациями и пригодны только
для ручной обработки (Министерство туризма
Филиппин)
Ill
4. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Рис. 7-40. Беспахотное земледелие. А. Беспа-
хотная сеялка прицеплена сзади к маленькому
трактору и выполняет несколько операций
сразу (фото Сельскохозяйственного департа-
мента США, Служба охраны почв). Б. Схема-
тическое изображение этой машины (направле-
ние ее движения на рисунке-справа налево).
Первое колесо представляет собой рифленый
культиватор, вскрывающий узкую полосу
невспаханной почвы и обычно разрезающий
также остатки предыдущей культуры, которые
образуют на земле мульчу. За культиватором
следует диск для внесения удобрений. В данном
случае удобрения сухие, но в некоторых
машинах они применяются в жидком виде (во
время сева могут также применяться гербици-
ды для борьбы с сорняками). Затем на
расстоянии приблизительно 5 см от удобряю-
щего диска следует диск, вскрывающий бороз-
ду для высева семян. За ним находится
собственно высевающее устройство, в которое
поступают семена из расположенного выше
бункера. Семена подаются в желобки этого
диска потоком воздуха от вентилятора. Воздух
также удерживает каждое зерно на месте до тех
пор, пока соответствующий желобок не при-
близится к земле, после чего зерно падает
в борозду. Последнее колесо утрамбовывает
почву над семенами. Одна машина обычно
включает несколько таких комплексов (из кн.
Glover В. Triplett Jr. and David M., Van Doren,
Agriculture without Tillage, Copyright Jan. 1977
by Scientific American, Inc.)
- сохранения почвенной влаги;
- поступления в почву биогенов и ор-
ганического вещества для сохранения и
формирования богатого и рыхлого па-
хотного слоя.
Чтобы разместить семена или рассаду,
достаточно лишь раздвинуть мульчу, и
культура будет прекрасно развиваться без
какой-либо дополнительной обработки
почвы.
Многолетние культуры. Все основные
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
223
Рис. 7-41. Культуры, посеянные беспахотным
методом, развиваются так же, как на полях,
обработанных традиционным методом, или
даже лучше (Сельскохозяйственный департа-
мент США)
культуры (кукуруза, пшеница, фасоль),
обеспечивающие человечество пищей, -
однолетники, т. е. растения, развивающие-
ся, плодоносящие и погибающие в течение
одного года. • Ежегодное получение уро-
жая требует подготовки почвы и внесения
в нее семян. Наша зависимость от одно-
летников - скорее историческая случай-
ность, чем необходимость. Можно по-
строить рацион и на многолетниках, т. е.
растениях, ежегодно отрастающих от
своих вегетативных частей и при этом
обильно плодоносящих. Многолетники
обеспечивали бы прекрасную защиту поч-
вы от эрозии без применения химикатов,
не говоря уже о дополнительной эконо-
мии труда и энергии, расходуемых на
ежегодные посевные работы.
Ограничение выпаса
Решение проблемы опустынивания,
вызванного перевыпасом, очевидно. Вы-
пас не должен превышать емкость паст-
бищ, иначе его ограничит превращение их
в пустыни. Для производства мяса в
развивающихся странах разведение круп-
ных животных необязательно. Для мел-
комасштабных подсобных хозяйств го-
раздо больше подходит выращивание
различных мелких видов, способных про-
кормиться некоторыми сельскохозяйст-
венными отходами.
Восстановление лесов
и рекультивация опустыненных
земель
Необходимость охраны лесов, совер-
шенствования лесного хозяйства с целью
повышения его продуктивности и лесо-
восстановления не требуют пояснений.
Деревья и кустарники, используемые как
защитные полосы на склонах, исключи-
тельно эффективны при борьбе с эрозией
на прилегающих площадях и дают зна-
чительное количество древесного топли-
ва. Однако восстановление лесов на
опустыненных землях требует больших
усилий, так как почву необходимо муль-
чировать для сохранения влаги и сокра-
щения ее дальнейшей эрозии, а за са-
женцами, пока они как следует не при-
224
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
жились, приходится ухаживать в течение
нескольких лет. Когда растительность
восстановится, пахотный слой будет фор-
мироваться заново в результате естест-
венных процессов. У многих людей сейчас
появилось хобби покупать заброшенные
фермы с сильно эродированной почвой
и постепенно возвращать ей плодородие.
Израиль достиг заметных успехов, пре-
вращая пустыни, которые действительно
возникли в этом регионе вследствие де-
градации земель, в сельскохозяйственные
угодья. Успешные проекты такого рода
были выполнены и в некоторых разви-
вающихся странах, но во многих других
серьезной помехой становятся несовер-
шенство систем землевладения и охраны
природы. Люди и коллективы, вовлечен-
ные в восстановление лесов, должны быть
уверены, что их усилия принесут им
пользу.
Борьба с засолением
Можно избежать засоления или даже
добиться «рассоления» земель, если ис-
пользовать достаточное количество воды
rlic. 7-42. Дренаж орошаемых земель. Чтобы
предотвратить засоление, избыток воды с со-
лями должен быть отведен. Для этого может
потребоваться система труб типа показанной
здесь, и иногда возникают дополнительные
экологические проблемы, связанные со сбро-
сом высокоминерализованных дренажных вод
в естественные водоемы
для вымывания солей из почвы. Однако
без соответствующего дренажа почва,
оставшись засоленной, превратится в бо-
лото. При значительных расходах можно
устроить искусственный дренаж, как по-
казано на рис. 7-42, но в этом случае
необходимо уделить внимание отводу
насыщенной солями воды. В заповеднике
Кестерсон в Калифорнии природа была
почти полностью уничтожена в резуль-
тате загрязнения среды при дренаже оро-
сительных вод.
Развитие подземных оросительных
систем, обычных сейчас на юго-западе
США, позволит по меньшей мере смяг-
чить проблемы засоления и нехватки
воды (см. рис. 8-21). С другой стороны,
селекционеры пытаются вывести сорта
культурных растений с повышенной со-
леустойчивостью. Возможности этого
подхода демонстрируют тот факт, что
многие морские и приморские виды вы-
работали такие адаптации. Если сходные
приспособления удастся создать и у куль-
турных растений, засоленные районы,
возможно, опять станут отчасти плодо-
родными. Однако адаптация к сильному
засолению часто связана с накоплением
в растении такого количества солей, что
оно становится несъедобным.
От слов к делу
В начале 1930-х гг. в США недостаточ-
ная охрана почв в сочетании с засушли-
выми условиями привела к образованию
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
225
печально знаменитого Пыльного Котла,
распространявшегося от Техаса до Ил-
линойса. Как писал Джон Стейнбек в
«Гроздьях гнева»: «Над полями подня-
лась пыль, тянувшаяся серыми, похожими
на дым космами... Наступило время рас-
света, но день не пришел... и над пова-
лившейся кукурузой завывал и плакал
ветер». Фермеры разорялись, арендаторы
толпой устремились в Калифорнию, а
поднявшаяся пыль достигла политических
деятелей даже далеко на востоке, в Ва-
шингтоне, заставив их принять Акт 1935 г.
об охране почв, согласно которому была
создана Служба охраны почв (SCS). SCS
помогала фермерам внедрять ставшие
теперь традиционными методы сохране-
ния земель, которые обсуждались выше.
Это был важнейший шаг по стабилизации
национальных почвенных ресурсов и вос-
становлению экономики Великих Равнин.
SCS продолжает много делать в этом
направлении через свои отделения в каж-
дом округе США. Однако SCS может
только оказывать помощь, у нее нет «зу-
бов», чтобы заставлять охранять почвы.
В 1970-е гг. необходимость произво-
дить все больше продовольствия для рас-
тущего населения мира, внедрение огром-
ных тракторов, увеличивающих эффек-
тивность сельского хозяйства на обшир-
ных сплошных полях, и рассеявшиеся
воспоминания об эпохе Пыльного Котла
привели к отказу многих фермеров от мер
по охране почвы. Около 30 млн. акров
полезащитных полос, залежей и склонов
были распаханы. Однако вместе с крат-
ковременным увеличением производства
почти на 50% возросла эрозия, достигнув,
если не превысив, уровень периода Пыль-
ного Котла.
Снова последовала действенная реак-
ция на этот последний всплеск почвенной
эрозии. Организации, занимающиеся воп-
росами окружающей среды, в частности
Союз американских фермеров, Родейл-
Пресс, Институт мировой статистики изу-
чили проблему и привлекли к ней вни-
мание общественности. Политические ли-
деры при поддержке членов таких при-
родоохранных организаций, как Сьерра-
Клаб, Национальное Одюбоновское об-
щество, Фонд сохранения природных ре-
сурсов и т. д., провели в 1985 г. через
Конгресс Акт о продовольственной бе-
зопасности. Вот два его важнейших по-
ложения:
1. Превратить 40 млн. акров пахот-
ных земель с высокой эрозионной
опасностью в «Охранный резерв»
под лесом и/или лугами. Выплачи-
вать фермерам около 50 долларов
в год за каждый акр земли, вы-
деленной в этот резерв.
2. Фермеры, земли которых подвер-
жены эрозионной опасности, долж-
ны разработать и внедрить про-
грамму охраны почв, чтобы иметь
право получать финансовую по-
мощь и другие льготы, предостав-
ляемые государством.
К 1987 г. около половины требуемых
земель были выделены в резерв. Это дало
30% намеченного уровня сокращения
эрозии, продемонстрировав возможности
грандиозного успеха программы в дол-
госрочной перспективе.
Этот исторический обзор призван по-
казать, что каждый человек способен
внести свой вклад в выработку и про-
ведение в жизнь эффективной природо-
охранной политики, участвуя в работе
экологических организаций. Естественно,
если Вы сами занимаетесь земледелием
или садоводством или связаны с такими
людьми, Вы можете на практике приме-
нять методы охраны почв или пропаган-
дировать их применение. Но что можем
сделать мы для сохранения земель и
стабилизации сельского хозяйства в менее
развитых странах?
Во многих развивающихся странах,
где особенно сильна эрозия, нет ничего
похожего на SCS, и у фермеров гораздо
меньше экономических стимулов для ох-
раны почв. Положение там такое же, что
и в США во времена Пыльного Котла.
Таким образом, наряду с планированием
семьи для понижения роста населения
международная политика и помощь США
должны быть направлены на создание
структур типа SCS, содействующих ох-
ране почв, восстановлению лесов и ста-
билизации сельского хозяйства. Корпус
8-2199
226
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
мира США и множество частных орга-
низаций привлекаются к участию в этих
проектах. Таким образом, у Вас множест-
во возможностей непосредственно вклю-
читься в работу; естественно, Вы можете
обратиться к представителю Конгресса от
вашей местности, потребовав от него
проведения политики в данном направ-
лении.
Финансовое стимулирование охраны
почв в слаборазвитых странах может
осуществляться за счет отказа от долгов
в пользу природы. Вспомним, что боль-
шинство таких стран сильно задолжало
США и другим развитым странам (см. гл.
5, «долговой кризис»). Так как в любом
случае возврат этих долгов маловероятен,
пропагандируется идея простить их в
обмен на обязательную охрану лесов,
других естественных экосистем, на про-
ведение соответствующей политики и
поддержку экологических проектов. Вы
можете написать вашему конгрессмену,
чтобы он выступил в поддержку идеи
отказа от долгов в пользу природы.
США тратят миллиарды на оказание
военной помощи и еще миллионы на
поддержку голодающих и беженцев из
районов экологических катастроф. Но без
развития устойчивого сельского хозяйст-
ва и охраны лесов никакая помощь не
спасет человечество от надвигающейся
трагедии опустынивания (см. пример
ниже).
Пример
Гаити: земля,
где не растет надежда
Почему нищей нации суждено
такой и оставаться
С первыми лучами солнца Пьер
Мерсьюс встает и выходит из своей
тесной лачуги. Он открывает дверь и
окно, плотно закрытые от бродяг и обо-
ротней, которые, согласно поверью, под-
крадываются к жилищу по ночам. Дви-
жения Пьера разбудили крыс, гнездящих-
ся в соломенной крыше, а также его жену
Аннез и трех маленьких дочек. Аннез
разжигает очаг с несколькими чахлыми
ветками, варит кофе из последних капель
воды, оставшихся в тыквенном сосуде,
и подслащивает его кусочком сахарного
тростника. Ее шестилетняя дочь Мелина
ставит тыквенный сосуд на голову и
отправляется к колодцу, путь к которому
занимает все утро. Тем временем Мер-
сьюс берет свою деревянную мотыгу,
перекидывает ее через плечо и отправ-
ляется вниз по склону обрабатывать
просяное поле для хозяина, крестьянина-
землевладельца. Если ему повезет, он
заработает за день 60 центов.
Так начинается день в «другой рес-
публике», как называют сельскую мест-
ность на Гаити. Правительства в Порт-о-
Пренсе приходят и уходят, но повседнев-
ная жизнь в беднейшей стране Западного
полушария остается тяжелой и однооб-
разной, оставляя Мерсьюсу и сотням
тысяч таких же безземельных крестьян
мало шансов на улучшение их участи.
Надежда ненадолго вспыхнула, когда
в 1986 г. восставшие гаитяне изгнали
«Пожизненного президента» Жан-Клода
Дювалье. С тех пор правительство ме-
нялось трижды, последний раз в прошлом
месяце, когда в результате переворота
установился режим генерал-лейтенанта
Проспера Авриля. Какими бы благими ни
были намерения Авриля, Гаити остается
настолько в буквальном смысле нищей
страной, что, возможно, никогда не до-
стигнет процветания.
Сельская нищета
Какой бы отчаянной ни была жизнь
в трущобах Порт-о-Пренса, истинная
картина положения на Гаити открывается
в сельской местности, где проживает 75%
из 6,3 млн. населения страны. Земля-это
не только надежда для крестьян, но
и ярмо, обрекающее их на нищету. С
годами их участки уменьшились до раз-
меров носового платка в результате бес-
конечных разделов между наследниками
и незаконных захватов территории зем-
левладельцами. Даже колдовство сыграло
свою роль: некоторые крестьяне вынуж-
дены продавать свои участки, чтобы
7. ПОЧВА И ПОЧВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА
227
Женщина, разыскивающая дрова на северо-
западной равнине Гаити, занятой когда-то
дождевым тропическим лесом (Maggie Ste-
ber/J. В. Pictures Ltd.)
заплатить за выполнение религиозных
обрядов по умершим родственникам.
Десятилетия неправильного обраще-
ния оставили земли истощенными и бес-
плодными. Сегодня только на 2% тер-
ритории Гаити сохранились леса. Их хищ-
ническое истребление началось в коло-
ниальные времена, когда экспортирова-
лась древесина, использовавшаяся для
производства всего чего угодно-от кра-
сок до кораблей. И в наши дни деревья-
единственная товарная культура для
крестьян. Бурое кольцо грязи окружает
берега Гаити: почва смывается в бирю-
зовые воды Карибского моря, оставляя за
собой тропическую пустыню. Усилия по
восстановлению лесов сводятся на нет
потребностями страны в древесном угле,
важнейшем топливе городских районов.
Жертв ураганов, засух, долгов, суеве-
рий и болезней, этих крестьян постоянно
грабят. Те, у кого есть немного земли, не
решаются улучшать ее из-за боязни при-
влечь внимание алчных богачей, которые
часто подкупают власти, чтобы под тем
или иным предлогом отобрать участки
соседей. Сельские полицейские, чиновники
и тонтон-макуты тоже захватывают чу-
жую собственность с помощью фальши-
вых документов и целого набора «городс-
ких» махинаций. Даже те, кто пытается
помочь крестьянам, в конечном итоге
делает им только хуже. Когда несколько
лет назад здесь разразилась африканская
лихорадка свиней, власти Гаити под на-
жимом США забили всех неприхотливых
черных креольских свиней, принадлежав-
ших крестьянам. Большинство крестьян
оказались неспособны купить новых им-
портных белых свиней или удовлетворить
их взыскательные вкусы, что привело
к резкому снижению уровня жизни.
Бегство из страны
Соблазн уехать начинает вытеснять
у многих сельских жителей Гаити мечту
о покупке земли. На побережье у южного
городка Птит-Ривьер-де-Нип крестьяне
строят три большие лодки, каждая из
которых может принять на борт до ста
нелегальных иммигрантов во Флориду.
8*
228 Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Юноша с тоской смотрит на них: «Здесь
для нас ничего нет»,-говорит он. Неко-
торые крестьянские семьи продают свою
землю или отдают последние деньги,
чтобы добыть для самого «перспектив-
ного» из родственников место в такой
лодке. Его переправляют в Америку в
надежде, что он найдет работу и станет
посылать домой деньги. Когда эмигранты
возвращаются, они часто бывают потря-
сены тем, насколько ухудшилась жизнь.
«Я не мог сдержать слезы, увидев, как
бедна моя семья,-сказал парень, рабо-
тающий в Орландо мойщиком посуды.-
Я отдал им все, что у меня было, и
остался без гроша уже через три дня».
Мы вновь на Центральном плато.
Аннез готовит для своей семьи единст-
венную за весь день пищу. Она выпрям-
ляет спину, берет двадцатифунтовый1
пестик и начинает ритмично растирать
две пригоршни сорго в деревянной ступе.
Пища варится в старинном чугунном
котле, со дна которого соскребаются
остатки вчерашнего обеда. Ни одна из ее
дочерей не может в этом году посещать
школу, так как она не в силах заплатить
за это менее трех долларов. «Я больше
не пою,-тихо добавляет Аннез.-Мне
грустно».
Кристина Гарсиа.
Репортаж Бернарда Дидерича,
«Тайм», 7 ноября 1988 г.
Фунт-английская мера массы: 453,6 г.
8
Вода, круговорот воды
и водное хозяйство
Раздел
Учебные вопросы
I. ВОДА............................230
А. Физические состояния воды . . . .231
Б. Испарение, конденсация и очистка
воды..........................232
II. КРУГОВОРОТ ВОДЫ................233
А. Вода в атмосфере............233
Б. Осадки......................234
В. Вода на поверхности и в глубине зем-
ли .................................235
Г. Круговорот воды
.................237
III. ЗАВИСИМОСТЬ ЧЕЛОВЕКА ОТ КРУГО-
ВОРОТА ВОДЫ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА
1. Назовите два фактора, влияющие на фи-
зическое состояние воды и расскажите,
как под их воздействием образуются лед,
жидкость и пар.
2. Опишите испарение, конденсацию и про-
цесс очистки воды с их участием.
3. Каковы важнейшие источники водяного
пара, поступающего в атмосферу? Дайте
определение относительной влажности.
4. Каковы причины конденсации паров и
выпадения осадков? Какое движение воз-
духа способствует выпадению большого
количества осадков? Где это обычно
происходит? Дайте определение дождевой
тени.
5. Дайте определение поверхностного стока,
инфильтрации, отношения инфильтрация/
поверхностный сток, поверхностной воды,
капиллярной воды, гравитационной воды,
просачивания, грунтовых вод, их уровня,
водоносного горизонта, зоны пополнения
родника. Опишите продвижение воды в
землю и внутри нее, используя эти тер-
мины. Какую воду обычно потребляют
растения? Какую воду берут в колодцах?
6. Опишите три разные «петли» в круго-
вороте воды. Чем они похожи? Чем раз-
личаются? Сравните качество поверхност-
ных и грунтовых вод. Объясните разли-
чия. Дайте определение выщелачивания.
Почему бессточные водоемы соленые?
ЭТОТ ПРОЦЕСС...................241
А. Источники и использование пресной
воды..........................241
7. Откуда и как получают воду? Для чего
в основном используют воду в городах
и в промышленности? Какие здесь лими-
тирующие факторы и их влияние? Можно
ли их избежать? Объясните, почему по-
требление воды в промышленности и в
городах называют возвратным, а на
орошение - безвозвратным.
230
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Б. Последствия перерасхода водных ресур-
сов ..............................243
1. Перерасход поверхностных вод 243
а. Неизбежный недостаток . . 243
б. Экологические последствия 244
Пример. Деградация Эверглейдс .... 263
2. Перерасход грунтовых вод . . 245
а. Падение уровня грунтовых вод и
истощение их запасов . . . 245
б. Сокращение поверхностных
вод............................246
в. Просадка грунта..........246
г. Подток соленой воды . . . 248
В. Больше получать или меньше исполь-
зовать? .......................249
Г. Возможности сохранения и вторичного
использования воды............250
1. Орошение..................250
2. Муниципальные системы . . .251
Д. Результаты изменений в землепользова-
нии ............................ . 252
1. Результаты увеличения.поверхност-
ного стока.....................253
а. Береговая эрозия..........253
б. Паводки...................256
в. Увеличение загрязнения . . 256
2. Результаты снижения инфильтра-
ции 258
Е. Использование ливневой воды . . 259
IV. ОТ СЛОВ К ДЕЛУ.................262
А. Дешевая вода и ее потери .... 262
Б. Что Вы можете сделать.......262
8. Приведите примеры перерасхода поверх-
ностных вод. Опишите его последствия.
9. Приведите примеры, показывающие, что
мы перерасходуем грунтовые воды. На-
зовите и опишите с примерами послед-
ствия этого.
10. Каковы возможные последствия тенден-
ции к увеличению расхода воды?
11. Опишите с примерами возможности зна-
чительного сокращения расхода воды на
орошение, городские и промышленные
нужды.
12. Объясните, как урбанизация влияет на
отношение инфильтрация/поверхностный
сток. Назовите и опишите последствия
увеличения поверхностного стока и
уменьшения инфильтрации.
13. Опишите традиционный способ обраще-
ния с ливневой водой. Каковы послед-
ствия этого? Какова современная концеп-
ция использования ливневой воды? Опи-
шите методы ее задержки и восстановле-
ния инфильтрации.
14. Что можно и что Вы можете сделать,
чтобы способствовать сбережению воды
и решению связанных с ней проблем?
Почему так важна стоимость воды? Мо-
жем ли мы платить больше?
Когда ученые, исследуя другие плане-
ты, ставят вопрос, есть ли еще где-либо
в Солнечной системе жизнь, первое, на
что они обращают внимание, - это вода.
Без воды жизнь существовать не может.
На Земле ее очень много, около 70%
поверхности планеты покрыто морями
и океанами, но эта вода-соленая. Все
основные наземные экосистемы, включая
и человеческую, зависят от наличия прес-
ной воды, содержащей менее 0,01% солей.
Ее гораздо меньше-менее 1% всего ми-
рового запаса воды, причем растущее
человечество растрачивает и загрязняет
это бесценное богатство.
Наша задача в этой главе-проанали-
зировать пресноводные ресурсы, чтобы
понять, как мы их истощаем, и что можно
сделать для сохранения и рационального
использования воды.
Вода
Вся вода на Земле непрерывно пере-
очищается и совершает круговорот. Что-
бы понять это, обратимся сначала к
некоторым физико-химическим свойст-
вам воды.
8. ВОДА, КРУГОВОРОТ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО
231
Физические состояния воды
Вам знакомы три физических состоя-
ния воды: твердое (лед), жидкое (собст-
венно вода) и газообразное (водяной
пар). Все они-результат различных взаи-
модействий между молекулами воды
(Н2О). На них действуют две силы. Од-
на-слабое взаимное притяжение, назы-
ваемое водородной связью, которое воз-
никает из-за того, что атом водорода
одной молекулы притягивается атомом
кислорода другой. Водородная связь
удерживает молекулы воды вместе. Вто-
рая сила обусловлена кинетической энер-
гией колебательного движения, присущего
всем атомам и молекулам. Кинетическая
Рис. 8-1. Физические состояния воды. На ее
молекулы действуют водородные связи, кото-
рые стремятся удержать их вместе, и кинети-
ческая энергия, стремящаяся их разделить.
Когда кинетическая энергия, увеличивающаяся
с ростом температуры, разрывает водородные
связи, вода переходит в другое состояние
энергия стремится разъединить молекулы
воды. Насколько прочно они удержива-
ются вместе (а следовательно, и физи-
ческое состояние воды), зависит от соот-
ношения между водородной связью и
кинетической энергией молекул (рис. 8-1).
Водородная связь постоянна по силе,
а кинетическая энергия зависит от тем-
пературы: чем теплее, тем она выше.
При температуре ниже точки замер-
зания (О °C) кинетическая энергия молекул
по сравнению с водородной связью низка,
поэтому молекулы замирают на месте
в определенном порядке. Получается лед.
При повышении температуры увеличи-
вающаяся кинетическая энергия букваль-
но расшатывает эту структуру: происхо-
дит оттаивание. Однако, если водородная
связь разрушается в одном месте, в
другом она возникает. Молекулы как бы
«скользят» друг по другу, но удержи-
ваются вместе. Это-жидкое состояние
воды.
Наконец при температуре кипения
(100° С) кинетической энергии достаточно
Две силы, действующие на
Кинетическая энергия увеличивается с температурой,
разрывая водородные связи; вода переходит в другое
Температура
Ю0°с
232
Ч, III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Вода
Конденсация
Водяной
пар
Замерзание
Рис. 8-2. Физические состояния воды. При
комнатной температуре кинетическая энергия
позволяет водородным связям (пунктирные
линии) рваться и образовываться вновь; это
жидкое состояние. По мере охлаждения воды ее
молекулы теряют энергию и прочно соеди-
няются; образуется лед. При нагревании
Прямая кристаллиза-
Таяние
молекулы получают достаточно энергии для
того, чтобы полностью преодолеть слабое
взаимное притяжение; получается водяной пар.
Если его охладить, притяжение между молеку-
лами вновь удерживает их вместе; в результате
вновь образуется вода, т. е. происходит конден-
сация. При всех этих изменениях физического
состояния сами молекулы остаются одинако-
выми: Н2О
встречаясь друг с другом, объединяются
водородной связью. Если температура
достаточно низка, водяной пар может
перейти непосредственно в твердое (крис-
таллическое) состояние. Так образуется
иней в природе или в холодильнике (рис.
8-2).
Эти изменения в физическом состоя-
нии воды лежат в основе ее круговорота
на Земле. Водяной пар постоянно посту-
для разрыва водородных связей, и мо-
лекулы оказываются в воздухе в свобод-
ном (несвязанном) виде. Этот процесс
пает в атмосферу при испарении, а затем
возвращается на землю в результате
конденсации и выпадения осадков.
называется испарением. Молекулы воды
в воздухе-это водяной пар, а его коли-
чество измеряется как влажность.
Все описанные процессы обратимы.
Конденсация - явление, противоположное
испарению. Когда температура и соот-
ветственно кинетическая энергия пони-
Испарение, конденсация
и очистка воды
Испарение и конденсация воды лежат
в основе важного процесса ее очистки,
называемого дистилляцией или перегон-
кой. При испарении в воздух поднимают-
жаются, молекулы воды в составе пара.
ся только молекулы воды, а соли и другие
8. ВОДА, КРУГОВОРОТ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО
233
Рис. 8-3. Очистка воды дистилляцией. Когда
вода испаряется, от поверхности отрываются
только ее молекулы, а примеси остаются
в растворе. Следовательно, кипятя воду,
а затем осаждая пар, ее можно очистить
растворенные вещества остаются на месте
(за исключением растворенных газов и
летучих жидкостей типа спирта). Когда
водяной пар конденсируется, из него
образуется только вода. Действительно,
самую чистую воду для лабораторного
использования получают именно этим
методом (рис. 8-3). Таким образом, земля
и ее атмосфера работают как гигантский
опреснитель. Вода из соленых морей
и других источников постоянно испаряет-
ся, в результате очищаясь, конденсируется
в атмосфере и попадает на землю опрес-
ненной. Вся пресная вода на земле обра-
зуется этим способом.
Люди могут очищать воду дистилля-
цией или другими способами. Но дело
упирается в экономику. Энергетические
затраты на дистилляцию, например, так
высоки, что производство больших объе-
мов дистиллированной воды было бы
расточительно.
Круговорот воды
Круговорот воды на Земле, называе-
мый также гидрологическим циклом, изо-
бражен на рис. 8-4. В общих чертах он
включает поступление воды в атмосферу
при испарении и возвращение ее назад
в результате конденсации и выпадения
осадков. Однако некоторые вопросы здесь
требуют более детального рассмотрения.
Вода в атмосфере
Так как океаны занимают около 70%
поверхности Земли, неудивительно, что
вода попадает в атмосферу, главным
образом испаряясь с поверхности океана.
Испарение идет и с поверхности озер, рек,
почвы и других влажных поверхностей.
Большое количество воды поступает в
атмосферу при транспирации растениями.
Сочетание испарения и транспирации
называют эвапотранспирацией.
Водяной пар в воздухе обычно опре-
деляют (и ощущают) как влажность.
Максимальная возможная влажность воз-
духа изменяется в зависимости от тем-
пературы, поэтому обычно измеряют
относительную влажность, т. е. количество
пара по сравнению с максимальным его
количеством, которое может содержаться
в воздухе при данной температуре; эту
величину выражают в процентах.
Чем теплее воздух, тем легче он вби-
рает в себя влагу и тем больше водяного
пара удерживает. Именно поэтому Вы ис-
пользуете горячий воздух, чтобы просу-
шить волосы. И напротив, чем холоднее воз-
дух, тем меньше он может содержать влаги.
Когда воздух, максимально насыщенный
водяным паром, остужают, вода конден-
сируется'. ее молекулы объединяются в
капельки. Легче всего это происходит на
твердых поверхностях; так «запотевает»
234
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Рис. 8-4. Круговорот воды. Вся вода на Земле
постоянно рециклизуется путем испарения или
транспирации, конденсации и выпадения в виде
осадков
холодное стекло и образуется роса на
траве. В атмосфере вода конденсируется
на частичках пыли, в результате чего
образуются туман и облака. Когда эти
капли или кристаллики льда (если тем-
пература ниже нуля) становятся доста-
точно крупными, идет дождь или снег
(рис. 8-5).
Осадки
В гл. 1 отмечалось, что количество
осадков - основной фактор, определяю-
щий, какой тип экосистемы развивается
на данной территории. Распределение
осадков по Земле-от почти нуля в одних
регионах до 3 м и более в других-в
основном зависит от движения холодного
и теплого воздуха в атмосфере.
Когда воздух поднимается, он осты-
вает. Поэтому наибольшее количество
осадков обычно выпадает под восходя-
щими воздушными потоками. И напро-
тив, опускаясь или оставаясь на месте,
воздух нагревается. Поэтому там, где
преобладают нисходящие воздушные по-
токи или воздушная масса неподвижна,
осадков выпадает меньше всего. Когда
воздушные массы то поднимаются, то
опускаются, осадки выпадают прерывис-
то и неравномерно. Однако существуют
две ситуации, при которых образуются
более или менее постоянные восходящие
(много осадков) и нисходящие (мало
осадков) потоки воздуха.
Во-первых, солнце наиболее интенсив-
но нагревает землю в экваториальных
районах, где его лучи падают на гори-
зонтальную поверхность под углом, мак-
симально приближающимся к прямому.
В свою очередь от теплой земли нагре-
вается воздух, который при этом расши-
ряется и поднимается вверх. Восходящие
потоки остывают, поскольку низкое дав-
ление в верхних слоях атмосферы спо-
собствует дальнейшему расширению воз-
духа, отдающего тепло и в космическое
пространство. В конце концов остывший
воздух перестает удерживать находящий-
ся в нем водяной пар, и в результате
выпадает дождь. Таким образом, в эква-
8. ВОДА, КРУГОВОРОТ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО
235
Рис. 8-5. При неизменном количестве воды
в воздухе относительная влажность увеличи-
вается, когда температура падает. Если воздух
охлаждается до температуры ниже точки
водонасыщения (100%), происходит конден-
сация и выпадают осадки. При нагревании его
относительная влажность падает
ториальных районах постоянно выпадает
большое количество осадков. Но воздух,
поднимающийся над экватором, должен
рано или поздно опуститься вниз. Это
происходит в субэкваториальных регио-
нах (на 25-35° севернее и южнее эква-
тора), в результате чего там образуются
пустыни (рис. 8-6), в частности африкан-
ская Сахара.
Вторая ситуация складывается там,
где пассаты (ветры, почти непрерывно
дующие в одном направлении) наталки-
ваются на горные хребты. При этом
влажный воздух устремляется вверх и
охлаждается, что приводит к обильным
осадкам на наветренных склонах. Однако,
когда поток воздуха перетекает через
хребет и опускается на другой его сто-
роне, он нагревается, и его способность
удерживать влагу увеличивается. Следо-
вательно, пустыни образуются на подвет-
ренных склонах гор. Говорят, что сухие
регионы, где воздух спускается с гор,
находятся в дождевой тени (рис. 8-7).
Самые суровые по условиям пустыни
образуются именно здесь. Например,
влажные западные ветры с Тихого океана
ударяются о горный хребет Сьерра-Не-
вада в Калифорнии. Воздух поднимается,
и выпадает много осадков, обеспечиваю-
щих произрастание на западных склонах
пышных лесов. А восточнее, сразу за
хребтом начинается так называемая До-
лина смерти-результат дождевой тени.
Вода на поверхности
и в глубине земли
Вода, попадающая на землю в виде
осадков, может следовать двумя различ-
ными путями: либо впитываться в почву
(инфильтрация), либо стекать по ней (по-
верхностный сток). Очень важный пока-
затель - отношение инфильтрация/поверх-
ностный сток. По поверхности вода сте-
кает в ручьи и реки, направляющиеся
к океану или в другие места, где проис-
ходит испарение. Все пруды, озера, ручьи,
236
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Солнечная радиация
увэкваториальные
регионы: из-за недостатка
осадков образуются
пустыни
Экваториальные регионы:
обильные осадки питают
дождевые тропические
1 леса
Опускающийся
холодный воздух
становится
теплее и суше
Тепло
Холодный
воздух
мне
Поднима- 4
ющийся
влажным
.теплый
воЗдух
Испарение,
Образова-
ние овлако
осадки
Рис. 8-6. Экваториальные дождевые леса
и субэкваториальные пустыни. Солнечная
радиация максимально нагревает землю в эква-
ториальных областях, в результате чего обра-
зуются восходящие потоки влажного воздуха.
Когда он, поднимаясь, остывает, здесь выпа-
дают обильные осадки, обеспечивающие вла-
гой дождевые тропические леса. Затем воздух
опускается в субэкваториальных областях. При
этом он становится теплее и его относительная
влажность падает, что приводит к образова-
нию субэкваториальных пустынь
реки и другие водоемы под открытым
небом называются поверхностными во-
дами.
Для впитавшейся воды также сущест-
вуют два альтернативных пути. Она мо-
жет удерживаться в почве в количестве,
зависящем от водоудерживающей способ-
ности последней (см. гл. 7). Такая вода
называется капиллярной и возвращается
в атмосферу путем эвапотранспирации.
Впитавшаяся вода, которая не удер-
живается в почве, называется гравита-
ционной, так как, увлекаемая силой тя-
жести, стекает, или просачивается, вниз по
порам и трещинам в земле. Однако рано
или поздно гравитационная вода дости-
гает непроницаемого слоя горной породы
или плотной глины и накапливается над
ним, заполняя здесь все поры, трещины
и пустоты. Такие ее запасы называют
грунтовыми водами, а их верхнюю гра-
ницу-уровнем грунтовых вод (рис. 8-8).
Гравитационная вода становится грун-
товой, достигая этого уровня, точно так
же, как дождевая вода становится озер-
ной, попадая на поверхность озера. Ко-
лодец следует копать на глубину ниже
уровня грунтовых вод. Тогда свободно
перемещающаяся здесь вода стечет в него
и заполнит до этого уровня.
Подземные слои породы часто зале-
гают наклонно, что заставляет грунтовые
8. ВОДА, КРУГОВОРОТ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО
237
13 000 -
12 000 -
_ 11 000 -
£ 10 000 -
а ОХ'
- 8000
05
Р 7 000
8 6000
М 5 000
4 ОСО
3 000
2000
1 000
Профиль центр.части
Сьерра-Невады
Остывает по
мере nojjHBjpn
Насыщенный
- влагой
- воздух
Пустыня
Пояс I
лесозагот
утовок j
///trsu Нагреваясь по мере
4 л Л опускания, воздух
. становится суше
ДОЖДЕВАЯ ТЕНЬ
Миль от ловережья
•ж 50
£ 40
30
х 20
< 10
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
Рис. 8-7. Дождевая тень. Влажный воздух
охлаждается, поднимаясь на горный хребет,
что приводит к выпадению большого количест-
ва осадков на наветренных склонах. На
подветренной стороне хребта создаются пус-
тынные условия, так как, опускаясь, воздух
нагревается и вбирает в себя влагу из почвы (из
кн. Trees: The Yearbook of Agriculture, 1949.
Вашингтон, Сельскохозяйственный департа-
мент США)
воды медленно перетекать подобно ог-
ромным рекам. Слои пористого материа-
ла, по которым они движутся, называют-
ся водоносными горизонтами. Фактическое
их расположение бывает весьма сложным.
Пористые слои часто залегают между
водонепроницаемыми, прерываются или
сминаются складками. Значит, грунтовые
воды можно обнаружить на различной
глубине, а место, где они поступают
в водоносный горизонт (зона пополнения),
временами располагается на расстоянии
многих миль от района, где они его
покидают. Если зона пополнения нахо-
дится на большей высоте, иногда создает-
ся повышенное давление, заставляющее
воду двигаться по водоносному горизон-
ту, который в таком случае называется
артезианским (рис. 8-9).
Под действием силы тяжести грунто-
вые воды могут двигаться по водонос-
ному слою до тех пор, пока не выйдут на
поверхность, образуя естественные род-
ники. Иногда вода вытекает на поверх-
ность на относительно широком прост-
ранстве, а в других случаях довольно
мощной струей бьет из одной точки.
В свою очередь родники питают ручьи,
реки и озера. Таким образом, грунтовые
воды снова становятся частью поверх-
ностных. Однако родник образуется толь-
ко тогда, когда уровень грунтовых вод
проходит выше него, а, если он пони-
жается, родник пересыхает.
Круговорот воды
В общих чертах круговорот воды
всегда состоит из испарения, конденсации
и осадков. Но он включает три основные
«петли»: 1) поверхностного стока', вода
становится частью поверхностных вод;
2) испарения - транспирации', вода впиты-
вается почвой, удерживается в качестве
капиллярной воды, а затем возвращается
238
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Рис. 8-8. Судьба воды при инфильтрации.
Вода, впитавшаяся в почву и удерживаемая
в ней, называется капиллярной. Когда почва ею
насыщается (достигает полевой влагоемкости),
дополнительная инфильтрационная вода про-
сачивается вниз под действием силы тяжести
и называется гравитационной. Накапливаясь
над водонепроницаемым слоем и заполняя
здесь все пустоты грунта, она образует грунто-
вые воды. Их верхняя граница называется
уровнем грунтовых вод. Грунтовые воды
добывают из скважин, пробуренных на глубину
ниже этого уровня
в атмосферу, испаряясь с поверхности
земли, или же поглощается растениями
и выделяется в виде паров при транспи-
рации; 3) грунтовых вод', вода попадает
под землю и движется сквозь нее, питая
колодцы и родники и таким образом
вновь попадая в систему поверхностных
вод.
Рис. 8-9. Водоносный горизонт может залегать
между двумя водонепроницаемыми слоями;
при этом, поскольку зона его пополнения
расположена на более высокой высотной
отметке, вода в нем находится под давлением.
Такие водоносные горизонты называются
артезианскими
8. ВОДА, КРУГОВОРОТ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО
239
Рис. 8-10. Такие пещеры возникают в резуль-
тате вымывания известняка грунтовыми вода-
ми. Причудливые отложения солей образуются
по мере того, как известняк вторично кристал-
лизуется из стекающих сверху грунтовых вод
(Служба национальных парков, фото Fred
Е. Maug, Jr.)
Круговорот воды в природе постоянно
очищает и пополняет пресноводные сис-
темы. С осадками выпадает пресная вода,
очищенная при испарении. Попадая на
поверхность земли, дождевая вода зах-
ватывает частицы почвы, растворенные
химикаты, детрит с питающимися им
микроорганизмами. Поэтому поверхност-
ный сток может быть сильно загрязнен,
но в природных экосистемах он невелик.
Большая часть воды впитывается в грунт,
и частицы грязи, детрит и микроорга-
низмы отфильтровываются из нее по мере
того, как она просачивается сквозь почву
или пористую породу.
Однако растворенные химикаты не
задерживаются, а уносятся водой, т. е.
вымываются, или выщелачиваются. Ес-
тественно, по мере просачивания воды
сквозь землю она может растворить и
вымыть некоторые минералы. Подземные
пустоты, встречающиеся во многих угол-
ках планеты, - результат тысячелетий вы-
щелачивания известняка (карбоната каль-
ция) (рис. 8-10). В большинстве случаев
минералы, вымываемые в грунтовые во-
ды в естественных условиях, безвредны.
Более того, кальций из известняка счи-
тается полезным для здоровья. Таким
образом, грунтовые воды-это обычно
пресная вода высокого качества, вполне
пригодная для питья. Исключения сос-
тавляют случаи, когда растворяются ми-
нералы, содержащие мышьяк или другие
ядовитые элементы. Так или иначе, вы-
ходы грунтовых вод в виде родников
питают и пополняют поверхностные во-
доемы высококачественной пресной во-
дой.
Итак, все участки суши непрерывно
омываются потоками пресной воды, вы-
падающей с осадками и постепенно дви-
жущейся по поверхности земли и сквозь
нее. Соли и другие растворимые мине-
ралы уносятся к местам испарения и
накапливаются там по мере того, как
вода испаряется и начинает следующий
цикл. Местом испарения, концом пути
солей и других растворенных минералов
в основном служит океан, но им могут
быть и некоторые бессточные внутренние
озера в аридных регионах, например
Большое Соленое озеро в Юте.
А Муниципальное использование воды
Б. Стандартная очистка воды
Рис. 8-11. А. Схема муниципального исполь-
зования воды. Обычно ее берут из реки,
очищают, используют и возвращают обратно.
Б. Схема типичной водоочистной установки.
На ней: (1) добавляется хлорка, чтобы убить
бактерий; (2) добавляются квасцы (сульфат
алюминия) для коагуляции взвешенных орга-
нических частиц; (3) вода в течение нескольких
часов отстаивается, чтобы осели взвеси; (4)
затем она фильтруется через песчаные фильт-
ры; (5) в нее добавляется известь, чтобы
поднять pH; (6) она перекачивается в накопи-
тельный резервуар до подачи в дома
8. ВОДА, КРУГОВОРОТ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО
241
Зависимость человека
от круговорота воды
и его влияние
на этот процесс
Вся вода, которую мы употребляем,
в той или иной точке изымается из
круговорота. Еще страшнее то, что в
гидрологический цикл могут попасть все
производимые нами отходы и загрязни-
тели. Более того, развитие городов, сель-
ское хозяйство, сведение лесов и опусты-
нивание значительно повышают поверх-
ностный сток и снижают инфильтрацию.
В следующих разделах и главах мы
обсудим, как деятельность человека влия-
ет на круговорот воды и его способность
обеспечить нужды современной цивили-
зации. Моменты, вызывающие наиболь-
шую озабоченность, отражены на рис.
8-16, так что Вы можете уже сейчас
Рис. 8-12. Круговое дождевание. Вода подает-
ся из центрального колодца. Вокруг него вра-
щается самодвижущаяся консоль, разбрызги-
вающая на ходу воду
представить себе их количество и раз-
нообразие.
Источники и использование
пресной воды
Традиционно люди получали боль-
шую часть пресной воды для домашнего
хозяйства, промышленности и орошения
из поверхностных водоемов. Чтобы обес-
печить более стабильное водоснабжение,
строят плотины, создавая водохранили-
ща, где вода удерживается в периоды
повышенного стока и откуда она может
быть спущена, когда ее не хватает. Кроме
того, плотины и водохранилища могут
служить источниками энергии, зонами
отдыха и обеспечивать контроль за па-
водками. Перед распределением потреби-
телям вода подается в очистные соору-
жения, где ее качество повышается (если
в этом есть необходимость), а также
проводится ее хлорирование или другая
дезинфекция, чтобы уничтожить водных
патогенов (болезнетворные организмы).
Большая часть воды, используемой на
домашние нужды и в промышленности,
всего лишь «берется взаймы» в том
242
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
смысле, что возвращается в природу,
правда, уже загрязненной (рис. 8-11).
В бесчисленных городах и поселках по
всему свету, стоит лишь соответственно
менять названия, мы встречаем одну и ту
же картину:
река Патапско некогда протекала
через прекрасную долину в центре
Мэриленда и впадала в Чесапикский
залив. Теперь большая ее часть по-
падает в водохранилище Либерти,
откуда (после очистки) пропускается
через наши ванны, раковины и уни-
тазы, а уж затем (после новой очистки)
течет в залив.
Такое использование воды порождает
три проблемы:
- источник может дать лишь ограни-
ченное количество воды;
- экосистемы ниже по течению могут
страдать от того, что вода отводится
в другом направлении;
- вода, возвращаемая в природу, за-
грязнена, что опасно как для здоровья
человека, так и для окружающей среды.
Однако вода, использованная описан-
ным выше способом, не пропала без-
возвратно. Устранив загрязнители, ее
можно использовать неограниченное чис-
ло раз. По существу, на крупных реках
вроде Миссисипи она используется неод-
нократно и без строгого контроля за
загрязнением. Каждый город по очереди
берет воду из реки, очищает ее, исполь-
зует, чтобы смыть очередную порцию
отходов, и сбрасывает снова в реку, часто
после минимальной обработки. Таким
образом, каждый следующий город дол-
жен бороться все с большим загрязнением
воды, а экосистема, находящаяся в конце
этой цепочки, может от него страдать.
Промышленные отходы усугубляют
положение. Небольшие предприятия
обычно используют воду из той же му-
ниципальной сети, что и дома, школы
и коммерческие учреждения, и сбрасыва-
ют ее в ту же сточную систему. Большие
промышленные предприятия, как прави-
ло, расположены на крупных реках, озе-
рах и заливах, где могут получать неогра-
ниченное количество воды, использовать
ее и сбрасывать, загрязнив отходами.
Однако с загрязнением можно эффек-
тивно бороться. При соответствующей
очистке и удалении загрязнителей вода
рециклизуется и используется неограни-
ченное число раз, не вредя экосистемам.
Такое водопотребление называется воз-
вратным, так как вода не теряется. Ука-
занные выше проблемы можно решить
при хорошей борьбе с ее загрязнением
и рециклизации.
И напротив, орошение называют без-
возвратным водопотреблением, так как
вода возвращается в атмосферу за счет
испарения и транспирации и на какое-то
время «теряется». Большая часть такой
воды поступает на поля из рек по оро-
сительным каналам (см. рис. 7-30 и 7-31)
без всякой очистки. Снова возникают
проблемы ограниченности запасов и на-
рушения экосистем, расположенных ниже
по течению, из-за нехватки воды.
Растущее население, развитие промыш-
ленности и увеличение сельскохозяйст-
венного производства, особенно после
второй мировой войны, приводят к по-
стоянному росту потребностей в пресной
воде. Но число мест, где можно пост-
роить плотины и водохранилища, огра-
ничено и больше не станет. Кроме того,
такое строительство приносит и отрица-
тельные последствия. Естественное русло
реки и земли, затапливаемые водохрани-
лищем, приносятся в жертву. Осталось
очень мало рек, до сих пор не перего-
роженных плотинами, и, как показало
принятие в 1968 г. Акта о диких и
живописных реках, общественность явно
желает оставить их в естественном со-
стоянии. Короче говоря, по мере роста
потребностей возможности использова-
ния дополнительных поверхностных ис-
точников воды становятся все более ог-
раниченными, причем они все сильнее
загрязняются.
Чтобы одновременно увеличить во-
доснабжение и повысить качество пресной
воды, остается только интенсивнее ис-
пользовать грунтовые воды. После вто-
рой мировой войны в сотнях городов
США пробурены огромные скважины для
снабжения водой муниципальной сети;
кроме того, созданы миллионы скважин
8. ВОДА, КРУГОВОРОТ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО
243
для обеспечения частных домов в при-
городах, где централизованной водопро-
водной сети нет. Фермеры обратились
к использованию на полях оросительных
систем кругового дождевания, в которые
вода поступает из центрального колодца
и разбрызгивается при помощи гигантс-
кой трубы, вращающейся вокруг него, как
циркуль (рис. 8-12, 8-17). За последние 20
лет применение таких установок значи-
тельно расширилось, что привело к уве-
личению сельскохозяйственной продук-
ции, но одновременно и к потреблению
огромного количества грунтовых вод.
Одна такая система может расходовать
до 40 000 л воды в минуту. Средние
потребности в воде одного жителя США
приведены в табл. 8-1.
Таблица 8-1. Потребности в воде на душу на-
селения в США
Цель Галлонов в день
Орошение и другие
сельскохозяйственные
нужды
Производство электро-
энергии
Промышленность
Бытовые нужды
700
600
370
150
вода расходуется со скоростью, превы-
шающей пределы устойчивого водоснаб-
жения, и последствия этого начинают
сказываться все сильнее.
Последствия перерасхода
водных ресурсов
Перерасход поверхностных вод
Неизбежный недостаток. При долго-
срочном планировании следует учитывать
неизбежные засушливые годы, когда реч-
ной сток падает до аномально низкого
уровня. Считается, что нельзя использо-
вать больше 30% среднегодового речного
стока без риска испытать недостаток
воды в среднем раз в 20 лет. Чем больше
брать, тем чаще и резче будет происхо-
дить падение уровня воды (рис. 8-13). Во
многих районах США забор поверхност-
ных вод уже превышает тридцатипроцент-
ный рубеж, а в некоторых других пре-
высит его в ближайшем будущем (рис.
8-14). На ряде рек потребности в воде
превышают 90% среднегодового стока,
т. е. хронический недостаток воды неиз-
бежен.
Печальный пример являет собой река
Колорадо. Забор воды на орошение и
° 1 галлон жидкости в США « 3,8 л.
Потребности продолжают возрастать,
бурятся скважины, создаются новые пло-
тины и водохранилища. Однако во мно-
гих регионах уже становится ясно, что
Рис. 8-13. На этой гипотетической схеме
изображены естественные колебания речного
стока при растущих потребностях человека
в воде. Происходит ли нехватка воды из-за
засух (периодов низкого стока) или из-за ее
чрезмерного потребления?
Годы, пятилетние интервалы
244
4. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Прогнозируемый процент использования стока к 2000 г.
Рис. 8-14. Каждые 95 лет из 100 можно тратить
не более 30% среднегодового стока поверх-
ностных вод. К 2000 г. на огромных площадях
этот уровень будет превышен, что неизбежно
повлечет за собой острую нехватку воды
(Совет по водным ресурсам США)
нужды города Лос-Анджелес, по сути,
составляет 100% ее среднегодового стока.
То место, где река когда-то впадала
в Калифорнийский залив, теперь, как
правило, представляет собой ее сухое
русло.
Экологические последствия. Когда из
реки отводят воду, экологические послед-
ствия могут затронуть не только ее саму.
Болота вдоль множества рек пересохли,
так как больше не подпитываются пе-
риодическими паводками, что привело
к гибели огромного количества водной
дичи и других видов растений и живот-
ных, обитавших в этих местах (см. пример
в конце главы, касающийся области Эвер-
глейдс на юге Флориды).
Проблема касается и эстуариев, т. е.
заливов, в которых пресная вода рек
постепенно смешивается с морской. Они
принадлежат к числу самых продуктив-
ных экосистем Земли; это прекрасные мес-
та размножения для многих видов рыб,
моллюсков и водных птиц. Когда речной
сток сокращается, в эстуарии поступает
меньше пресной воды, растет их соле-
ность и сильно изменяется экология.
Например, на экологической ситуации
внутренней части Калифорнийского за-
лива заметно сказался снизившийся при-
ток пресной воды из реки Колорадо.
Похожее положение вещей сложилось
на озере Моно площадью 100 квадратных
миль в восточной части центральной
Калифорнии. Это озеро бессточное, но
постоянный приток пресной воды из
тающих снежников Сьерра-Невады к за-
паду от него когда-то поддерживал со-
леность воды в озере на умеренном
уровне. Здесь обитало множество видов
диких животных; особенно впечатляли
огромные стаи водных птиц. Но теперь
большая часть пресной воды, впадавшей
в озеро, разбирается на удовлетворение
8. ВОДА, КРУГОВОРОТ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО
245
все возрастающих потребностей Лос-Анд-
желеса. В результате Моно теряет на
испарение больше воды, чем получает.
С поразительной быстротой его соле-
ность увеличивается, а площадь сокра-
щается (рис. 8-15). Если ситуация не
изменится, оно превратится в мелкий
мертвый водоем, слишком соленый для
того, чтобы в нем оставалась жизнь,
окруженный многими квадратными ми-
лями голых соленых равнин. Проблемы
такого рода известны нс только в США.
Арал, внутреннее море площадью 30000
квадратных миль на юге бывшего СССР
уже обмелело на 40 футов и может
полностью высохнуть в течение ближай-
ших 20 лет в результате необдуманных
оросительных проектов, снизивших при-
ток в него пресной воды.
Перерасход грунтовых вод
Грунтовые воды-это, по сути дела,
система подземных водохранилищ. По
имеющимся оценкам, суммарный их
объем превосходит объем поверхностных
вод в 75 раз. Но подземные водохра-
нилища, как и любые другие, истощают-
Рис. 8-15. После отвода пресной воды, питаю-
щей озеро Моно, на нужды Сан-Франциско
оно пересыхает, оставляя при испарении
причудливые соляные скульптуры (Americ
Higushi/Stockpile)
ся, если потребление из них воды идет
быстрее пополнения, т. е. просачивания
воды осадков вниз до уровня грунтовых
вод.
Падение уровня грунтовых вод и ис-
тощение их запасов. В настоящее время
потребление грунтовых вод превышает по
скорости пополнение их запасов, и во
многих районах США уровень грунтовых
вод падает в год на 2-3 фута или даже
больше (рис. 8-16). В лучшем случае при
этом становится дороже качать воду, но
со временем скважины могут просто
пересохнуть.
Проблема стоит особенно остро в
регионах с низким количеством осадков,
где скорость пополнения очень невелика,
а потребность в грунтовых водах высока
из-за недостатка поверхностных водо-
емов. Наиболее яркий пример - Великие
равнины (Техас, Оклахома, Аризона, Ко-
246
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Специфические проблемы (определены федеральны-
ми и региональными группами США)
I | Зоны со значительным перерасходом
I----1 грунтовых вод
• Снижение уровня грунтовых вод
▲ Снижение стока родников и рек
♦ Просадка грунта и образование карстовых воронок
Подток соленых вод в водоносные горизонты
Границы
-----регионов водных ресурсов
------субрегионов
Рис. 8-16. Падение уровня грунтовых вод
в США и связанные с этим проблемы (источ-
ник: V.J. Pye et al. Groundwater Contamination
in the United States, Philadelphia: University of
Pennsylvania Press, 1983. С разрешения Акаде-
мии естественных наук, Филадельфия). Неза-
крашенные зоны иногда также страдают от
перерасхода грунтовых вод, но эта проблема не
стоит там особенно остро
лорадо, Канзас и Небраска), где водо-
носный слой Огаллала активно эксплуати-
руется на круговое дождевание, в част-
ности, кукурузы и хлопка (рис. 8-17).
Предполагают, что в течение ближайших
10 лет 1,4 млн. га земель здесь будут
заброшены или перерриентированы в хо-
зяйства засушливых условий (пастбища
и выращивание кормовых трав) из-за
истощения запасов воды. Многие города,
получающие воду из подземных источ-
ников, тоже в ближайшие годы столкнут-
ся с острой ее нехваткой, если сохранится
существующая тенденция к перерасходу.
Сокращение поверхностных вод. Паде-
ние уровня грунтовых вод влияет и на
поверхностные водоемы. Вспомните, что
ручьи, реки и озера в значительной мере
питаются за счет родников, представ-
ляющих собой выходы грунтовых вод на
поверхность. По мере падения уровня
грунтовых вод количество воды, вытека-
ющей из родника, сокращается и в конце
концов он иссякает, когда уровень грун-
товых вод падает ниже точки его выхода.
Следовательно, это падение приводит
к сокращению стока родников и, таким
образом, всех поверхностных вод, что
усугубляет все упомянутые выше эколо-
гические проблемы.
Просадка грунта. Веками грунтовые
воды вымывали в недрах земли полости,
Рис. 8-17. Аэрофотоснимок иллюстрирует
масштабы кругового дождевания в Небраске.
Его результат - истощение грунтовых вод, что
может положить конец этому типу ведения
сельского хозяйства (Earl Roberge/Photo
Researchers)
Рис. 8-18. Просадка грунта. Удаление грунто-
вых вод может повлечь за собой опускание
уровня почвы, чреватое серьезным ущербом,
например разрушением фундамента, как пока-
зано на этой фотографии (фото Службы
охраны почв, Сельскохозяйственный департа-
мент США)
248
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Рис. 8-19. Карстовая воронка. Удаление грун-
товых вод может освободить от них подзем-
ную полость, так что ее свод, не поддерживае-
мый больше водой, провалится, и возникнет
воронка типа приведенной здесь на снимке,
сделанном в Алабаме (фото Геологического
надзора США, Департамент внутренних дел
США)
но, покуда эти пространства были запол-
нены водой, она сама отчасти поддержи-
вала вышележащие породы и почвы.
Когда уровень грунтовых вод падает, эта
опора исчезает, и может происходить
постепенное опускание поверхности суши,
называемое просадкой грунта.
Скорость ее может составлять 15-
30 см в год. В некоторых районах долины
Сан-Хаокин в Калифорнии земля из-за
потери грунтовых вод просела примерно
на 9 м. Просадка грунта ведет к раз-
рушению фундаментов зданий, дорог, во-
допроводной и канализационной сетей
(рис. 8-18), а в приморских районах-к
затоплению, если только не построить
защитных дамб. Например, в Техасе в
районе Хьюстона и залива Галвестон из-за
истощения запасов грунтовых вод по-
степенно опускается зона площадью
10000 км2, и береговые участки прихо-
дится оставлять по мере их поглощения
морем. Просадка грунта составляет также
серьезную проблему в Новом Орлеане,
местами в Аризоне и во многих других
регионах по всему миру.
Особый вид просадки грунта - образо-
вание карстовых воронок - может быть
внезапным и вести к катастрофическим
последствиям (рис. 8-19). Такие воронки
возникают, когда своды подземных пус-
тот, оставшись без поддерживающих их
грунтовых вод, резко обрушиваются. Они
могут достигать 100 м и более в попе-
речнике и до 50 м глубины. Особенно
часто карстовые воронки образуются на
юго-востоке США, где грунтовые воды
проточили множество пещер в древних
известняковых отложениях. Только в
Алабаме их насчитывается около 4000.
Некоторые из них поглотили здания,
скот, отрезки шоссе.
Подток соленой воды. Из-за истощения
запасов грунтовых вод возникает еще
одна проблема-подток соленой воды.
В приморских районах родники могут
находиться ниже уровня океана. Пока
уровень грунтовых вод на суше выше
уровня океана, в водоносном горизонте
сохраняется давление, поддерживающее
постоянный отток пресной воды в океан,
8. ВОДА, КРУГОВОРОТ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО
249
Рис. 8-20. Подток соленых вод. А. Водоносный
горизонт открывается в океан, но давление
в нем пресной воды не пропускает к скважинам
соленую воду. Б. Чрезмерное потребление
грунтовых вод снижает давление в водоносном
горизонте, и соленая вода устремляется в него
причем колодцы, расположенные вблизи
него, также дают пресную воду (рис.
8-20, Л). Однако понижение уровня грун-
товых вод или большая скорость их
потребления могут снизить давление в
водоносном горизонте, что позволит про-
никать в него, а следовательно, и в ко-
лодцы соленой воде (рис. 8-20, Б). Проб-
лема подтока соленых вод стоит во многих
местах вдоль побережья США (см. рис.
8-16). Впрочем, перерасход грунтовых вод
и подобные его последствия характерны
не только для этой страны.
Больше получать
или меньше использовать?
Исходя из существовавших ранее тен-
денций, свидетельствующих о росте по-
требления воды на душу населения США
за период с 1950 по 1975 г. на 50%, эко-
номисты предсказывают и дальнейшее
его повышение. Существуют две проти-
воположные точки зрения на эту проб-
лему: либо нужно еще больше воды, либо
можно обойтись меньшим количеством.
Рассмотрим первую их них. На чер-
тежных досках находится множество про-
ектов по переброске воды оттуда, где она
кажется не столь необходимой, туда, где
она крайне нужна. Один из наиболее
грандиозных всерьез разрабатывавшихся
проектов-это сооружение огромной пло-
тины на реке Юкон на Аляске, которая
привела бы к затоплению приблизительно
250
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
10% территории штата, и постройка
канала длиной 2000 миль для переброски
воды в среднюю и юго-западную части
США. Такие планы учитывают только
технологическую осуществимость, не
принимая во внимание ни экологических
эффектов, ни долговременных последст-
вий для человека. Эксплуатация все
большего количества водных ресурсов
только распространит обсуждавшиеся
выше поблемы на новые районы и усу-
губит их там, где с ними уже столкнулись.
Наконец, это позволит лишь ненадолго
оттянуть время, прежде чем в водоснаб-
жении вновь станут ощутимы ограниче-
ния и недостаток. Короче говоря, этот
путь не обеспечивает устойчивого сущест-
вования. К счастью, существуют широкие
возможности сбалансировать спрос и
предложение за счет охраны водных ре-
сурсов.
Рис. 8-21. Капельное орошение. На орошение
расходуется больше всего воды. Изображен-
ный способ дает возможность экономить ее,
подавая по каплям к каждому растению через
систему пластмассовых труб (Lowell Geor-
gia/Photo Researchers)
Возможности сохранения
и вторичного
использования воды
Орошение
В регионах страны с низким количест-
вом осадков, испытывающих наиболее
острую нехватку воды, около 85% ее за-
пасов идет на орошение. Следовательно,
снижение всего на несколько процентов
ее количества, используемого таким пу-
тем, позволило бы удовлетворить расту-
щие потребности городов. Приблизитель-
но 50-70% воды, направляемой на полив
затоплением и дождеванием, расходуется
впустую; вместо того чтобы усваиваться
растениями, она испаряется, просачивает-
ся или стекает по поверхности. Такие
затраты вовсе не нужны. Во-первых, при
таком расточительном орошении чаще
всего выращивают кукурузу и хлопок-
культуры, постоянно дающие огромные
излишки, которые государство вынужде-
но скупать, чтобы поддерживать цены.
Абсурдно, что водные ресурсы истоща-
ются ради получения никому не нужных
урожаев. Землю можно было бы превра-
тить в пастбища, которые и являлись ее
8. ВОДА, КРУГОВОРОТ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО
251
естественным экологическим состоянием,
или выращивать здесь водосберегающие
культуры. Если же и продолжать ороше-
ние, то существуют его экономичные ка-
пельные системы, уже применяемые на
юго-западе США. Капельное орошение
производится через сеть пластмассовых
труб с крошечными отверстиями, через
которые вода буквально падает по капле
у основания каждого растения (рис. 8-21).
Дополнительное преимущество таких си-
стем-то, что они препятствуют засоле-
нию (см. гл. 7).
Почему, видя такие альтернативные
возможности, фермеры продолжают на-
прасно тратить воду на выращивание
никому не нужных урожаев? Это парадокс
неразумного государственного субсиди-
рования. Стремясь развивать сельское
хозяйство, правительство построило сис-
темы водоснабжения (плотины, водохра-
нилища, каналы) и теперь продает фер-
мерам воду на орошение по символичес-
ким ценам, одновременно гарантируя им
стабильные цены на кукурузу независимо
от ее излишков. Пока существуют эти
субсидии, им невыгодно заниматься чем-
нибудь еще, кроме выращивания никому
не нужных, требующих много воды уро-
жаев.
Муниципальные системы
Столкнувшись в некоторых регионах
с острой нехваткой воды, люди обнару-
жили, что они могут тратить ее меньше
галлона в день, включая расходы на
стирку и приготовление пищи. В то же
время потребление воды в современных
домах в среднем достигает 150 галлонов
в день на человека: на ополаскивание
унитазов (3-5 галлонов за один спуск),
душ (2-3 галлона в минуту), стирку
(20-30 галлонов за один раз) и т.д. Если
учитывать еще и полив газонов, цифры
будут еще больше. Очевидно, можно
Рис. 8-22. Использование «серой воды». Слиш-
ком расточительно использовать питьевую
воду для полива газонов и ополаскивания
унитазов. Значительной экономии можно
достичь, собирая использованную («серую»)
воду из ванн и раковин и вторично употребляя
ее для подобных целей
252
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
значительно сократить расход воды без
ощутимого ущерба.
Во множестве городов стимулируют
экономию воды при помощи программ
«общественной озабоченности», направ-
ленных на компенсацию нехватки воды
и обеспечение еще большего удовлетво-
рения потребностей без привлечения ее
новых источников. Помимо принятия
менее длительного душа и выключения
кранов во время чистки зубов средства
такой экономии включают унитазы, ко-
торые спускают всего 1,5 галлона воды
для ополаскивания, использующие мень-
ше воды посудомоечные и стиральные
машины и насадки для душа с более
мелкими отверстиями. Можно устроить
красивый сад, тратя гораздо меньше воды
на его полив, если высаживать засухо-
устойчивые виды и мульчировать почву,
сокращая тем самым испарение.
Более того, в некоторых районах с
острой нехваткой воды внедряются сис-
темы рециклизации так называемой «се-
рой воды». Это слабозагрязненная вода из
раковин, душей, ванн, собираемая в баки
и используется для таких целей, как
ополаскивание унитазов, мытье машин
и полив газонов (рис. 8-22). В некоторых
городах и на промышленных предприя-
тиях предусматривается очистка и вто-
ричное использование сточных вод (см.
гл. 10). Однако в этом случае опять
возникает вопрос об эффективности эко-
номических затрат.
Результаты изменений
в землепользовании
Вся поверхность суши, вода с которой
стекает в данный водоем, называется его
водосборным бассейном (рис. 8-23). Если
здесь растут естественные леса или луга
с богатым пахотным слоем почвы, боль-
шая часть осадков инфильтруется и по-
полняет грунтовые воды. Только исклю-
чительно сильные или продолжительные
ливни способны насытить почву и создать
существенный поверхностный сток. В
свою очередь грунтовые воды просачи-
ваются наружу через родники. Вода вы-
текает примерно с одинаковой скоростью,
Рис. 8-23. Водосборный бассейн представляет
собой участок суши, вода с которого поступает
в конкретный ручей или реку. Пунктирной
линией показана граница водосборного бас-
сейна
независимо от колебаний ее подземных
запасов. Таким образом, ручей, проте-
кающий по облесенному водосборному
бассейну, застрахован от паводков во
время ливней, так как вода уходит в
грунт, и не пересыхает во время засух, так
как продолжает питаться родниками.
Такой ручей может обеспечить сущест-
вование не только богатой водной эко-
системы, но и многочисленных окружа-
ющих его наземных экосистем, в которых
многие виды зависят от наличия питьевой
воды прямо или косвенно, т. е. через
различные пищевые цепи.
Деятельность человека сильно изме-
няет характер земной поверхности, по-
нижая отношение инфильтрация/поверх-
ностный сток. Совершенно очевидно, что
развитие городов и пригородов значи-
тельно увеличивает сток из-за создания
плотных, водонепроницаемых поверхнос-
тей типа дорог, автомобильных стоянок,
крыш. Даже почва на пригородных га-
зонах обычно уплотнена так, что ин-
фильтрация снижена, а поверхностный
сток значительно увеличенi Земледелие
нередко приводит к утрамбовыванию
8. ВОДА, КРУГОВОРОТ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО
253
и/или уплотнению почвы, а значит, уве-
личению поверхностного стока, как и при
сведении лесов и перевыпасе.
Результаты увеличения
поверхностного стока
В то время как инфильтрация по-
полняет запасы грунтовых вод, поверх-
ностный сток направляется непосредст-
венно в ручьи, иногда-по трубам, от-
водящим воду с городских улиц и авто-
мобильных стоянок (рис. 8-24). Таким
образом, даже умеренный ливень может
за несколько минут превратить тихий
ручей в бушующий поток (рис. 8-25).
Береговая эрозия. Естественные русла
ручьев не способны справиться с увели-
чившимся стоком, вырывающим почву
и камни из их берегов. Деревья, которые
Рис. 8-24. Ливнестоки обычно представляют
собой прямые трубы, выведенные в ближайшее
подходящее русло ручья. Изображен подоб-
ный ливнесток, обслуживающий жилой квар-
тал (фото автора)
обычно закрепляют берег, также подмы-
ваются и падают в ручей, преграждая
путь воде и направляя ее течение на бере-
га, что еще больше увеличивает эрозию
(рис. 8-26). Такой процесс береговой эро-
зии вполне естествен, но в природе про-
текает очень медленно, и прирост расти-
тельности восстанавливает берег. С уве-
личением поверхностного стока равнове-
сие нарушается, и эрозия развивается по
возрастающей. Дополнительный ущерб
может быть нанесен потоками из неудач-
но расположенных сточных труб, вы-
мывающими в бортах долин овраги
(рис. 8-27). Более тонкий материал уно-
сится течением, но камни и грубозернис-
тый песок откладываются на дне русла,
поднимая уровень воды и тем самым
усиливая ее воздействие на берег. В
результате ручьи становятся мельче и
шире (рис. 8-28). В конечном итоге русло
может быть полностью запружено, и вода
будет пробивать его заново по соседним
участкам (рис. 8-29). Это увеличит эрозию
и вызовет гибель многих деревьев из-за
переувлажнения почвы. Постепенно узкий
окаймленный деревьями ручей может
превратиться в широкую промоину, за-
254
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Рис. 8-25. Воздействие застройки на сток
ручья. До нее сток обычно был умеренным
в течение всего года. Теперь после застройки
прилегающей территории пригородными кот-
теджами он стал резко колебаться от паводков
(А) до пересыхания (5). Снимок А сделан во
время обычной летней грозы; снимок Б-
несколькими часами позже. Обратите внима-
ние на иссушение берегов и на их эрозию. Такая
ситуация-типичное следствие застройки (фото
автора)
Б
Рис. 8-26. Береговая эрозия. Воды увеличив-
шегося поверхностного стока сильно ускоряют
эрозию берегов ручья. Обратите внимание, что
многие деревья подмыты и упали. Они пере-
гораживают русло и ведут к усилению эрозии
и подмывания (фото автора)
8. ВОДА, КРУГОВОРОТ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО
255
Рис. 8-27. Эрозия около выхода ливнестока.
Часто вода отводится на склон долины
и дальше сама течет по склону. Овраг,
изображенный здесь,- результат водной эрозии
из-за ливнестока, устье которого находится на
заднем плане слева (фото автора)
Родники
Родники
пересыхают
Облесенный4
водосворный
Постоянный сток
высококачественной
воды
^Эрозия
Инфильтрации
у/ поверхностный нет
Наводнение Пополнения
_______________грунтовых вод нет
Застроенный
водосборный
Бассейн
Пополнение
грунтовых вод
СлаБЫМгЧ^
поверхн.
сток
ереговая эрозия
Засорение русла
।Прерывистый сток
।низкокачественной
। воды
Рис. 8-28. Увеличивая поверхностный сток
и снижая инфильтрацию, застройка приводит
ко многим нежелательным изменениям в ес-
тественном режиме функционирования во-
доемов
256
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Рис. 8-29. Русло ручья (А) было настолько
переполнено осадочным материалом, что воде
пришлось искать новый путь по дну долины.
Это привело к дальнейшему развитию эрозии
и экологическим нарушениям (£, В) (фото
автора)
лившегося поверхностного стока сильно
загрязнены. В отличие от высококачест-
венной родниковой воды они несут в себе
все виды загрязняющих землю материа-
лов прямо в ручьи и реки. Здесь встре-
чаются:
- смытая в процессе эрозии почва;
- биогены, входящие в состав удобре-
ний, применяемых в садах, на газонах
и полях;
- инсектициды и гербициды, исполь-
зуемые в садах, на газонах и полях;
- помет домашних и сельскохозяйст-
венных животных и ассоциированные с
ним бактерии;
- дорожная соль и другие химические
вещества с дорожного покрытия;
- сажа и ядовитые вещества из вы-
хлопных газов транспортных средств, а
также другие загрязнители воздуха;
- горючее и машинное масло с дорог,
сыпанную упавшими стволами, песком
и гравием.
Паводки. Когда поверхностный сток
через мелкие ручьи достигает рек, про-
исходят паводки. Они всегда были нор-
мальным явлением природы, однако при
увеличении стока даже умеренные ливни
могут приводить к наводнениям. Многие
пригородные поселки все чаще и сильнее
страдают от них, так как в ходе урбаниза-
ции большая часть водосборных бассей-
нов в округе оказалась заасфальтирован-
ной. Таким образом, несмотря на про-
тивопаводковые системы, ущерб от них
в целом возрос.
Увеличение загрязнения. Воды увели-
Рис. 8-30. А. Изменения стока ручья в связи
с застройкой территории. Линии отражают
сток во время одинаковых ливней в районе
Брайс-Байю Хьюстона (Техас) до, во время
и после застройки. Обратите внимание на
возрастание стока во время ливня и на его
последующее снижение. Б. Вследствие увеличе-
ния поверхностного стока при дальнейшей
застройке водосборного бассейна многие ранее
обжитые участки страдают от невиданных
ранее наводнений. Район Пичтри-Крик Атлан-
ты, Джорджия (Л: D. Van Sickle в кн. Effects of
Watershed Changes on Stream Flow. W. Moore
and C. Morgan (eds.) Austin, Texas: University of
Texas Press, 1969; Б’. Photo Researchers, © 1982
Melissa Hayes Inglish)
8. ВОДА, КРУГОВОРОТ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО
257
258
4. HI. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
автомобильных стоянок, из сточных труб;
- мусор и растительный опад.
Действительно, поверхностный сток
сейчас признан основным источником
загрязнения многих рек, тем более что
в последнее время количество загрязняю-
щих веществ в стоках городских и про-
мышленных очистных сооружений значи-
тельно сократилось (см. гл. 10 и 11).
Недавние исследования, проведенные
нью-йоркской группой «Информ», по-
казали поступление в реку Гудзон с
поверхностным стоком около 100 т свин-
ца в год, тогда как с промышленными
и городскими стоками его туда попадает
всего четверть тонны.
Результаты снижения инфильтрации
Поверхностный сток не пополняет
грунтовые воды. В сильно урбанизиро-
ванных районах снижение их уровня мо-
жет быть вызвано не только потребле-
нием, но в равной или даже большей
степени снижением инфильтрации. Таким
образом, застройка, увеличивая поверх-
ностный сток и снижая инфильтрацию,
усугубляет проблемы подтока соленых
вод, просадки грунта и т.п., связанные
с падением уровня грунтовых вод.
При этом уменьшается сток родников,
и в сухие периоды ручьи могут полностью
Рис. 8-31. В процессе урбанизации ручьи пре-
вращаются в простые ливнестоки. Этот учас-
ток водосборного бассейна реки Рок-Крик
в Мэриленде площадью 26 квадратных миль,
ставший теперь густонаселенным пригородом
Вашингтона, в 1913 г. был сельской мест-
ностью с большим количеством меленьких
ручьев, питавшихся родниками. Последующая
застройка, проводившаяся без учета естествен-
ных процессов, перекрыла мостовыми и строе-
ниями большинство зон пополнения водонос-
ных горизонтов, и теперь значительная часть
осадков быстро стекает по поверхности вместо
того, чтобы впитываться в почву и постепенно
пополнять ручьи. Наводнения во время ливней
и падения стока в остальное время привели
к заключению большинства ручьев в трубы
и превращению их в ливнестоки. Из 64 миль
естественных русел, существовавших здесь
в 1913 г., в 1966 г. на поверхности осталось
только 27 миль (Служба национальных парков)
8. ВОДА, КРУГОВОРОТ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО
259
пересыхать. На рис. 8-30 графически изоб-
ражены изменения стока ручья по мере
урбанизации его водосборного бассейна.
Он не только резко увеличивается во
время дождя, но и уменьшается после
него. Другими словами, уплотнение по-
верхности как составная часть традицион-
ной урбанизации нарушает в ручьях усло-
вия постоянного стока, при которых раз-
виваются богатые экосистемы, и приво-
дит к экологически неустойчивому состоя-
нию быстрого чередования паводков и
пересыхания. На деле естественные ручьи
начинают слабо отличаться от открытых
ливневых дрен и часто включаются в
такую систему: дренажные трубы про-
кладывают по их дну и закапывают
(рис. 8-31). Это особенно печально, если
учитывать наше желание сохранить и за-
щитить природную среду в рамках все
более урбанизирующегося ландшафта.
Использование ливневой воды
Традиционный подход к ливневой
воде заключался в том, чтобы как можно
скорее от нее избавиться. К несчастью, он
до сих пор преобладает в большинстве
регионов. Автомобильные стоянки, до-
рожное полотно, газоны делают наклон-
ными, чтобы вода быстрее собиралась
в дренажную сеть, отводящую ее в бли-
жайший подходящий ручей. Если бере-
говая эрозия и паводки начинают нано-
сить слишком большой ущерб, ручьи пре-
образуют в каналы, т.е. расчищают их
русло, спрямляют или сглаживают его
изгибы и облицовывают камнем или
бетоном (рис. 8-32). Каналы переносят
как воды, так и твердые осадки более
эффективно, поэтому опасность наводне-
ний значительно сокращается.
Однако в экологическом отношении
канал, если и похож на исходный естест-
венный ручей, то очень слабо. Сток про-
должает колебаться от паводков до пере-
сыханий, а, кроме того, трещины и ому-
ты, которые могли бы дать убежище вод-
ным и другим диким видам в течение
сухих периодов, теперь отсутствуют.
Иногда канал даже представляет опас-
ность для диких животных, так как, упав
туда, они не в состоянии выбраться. В
эстетическом и функциональном отноше-
нии такой обустроенный ручей не что
иное, как водосточная канава. Тем не
менее тысячи миль ручьев уже обустрое-
ны, и этот процесс продолжается. Кроме
того, вода, отведенная из одного района,
направляется куда-то в другое место.
Следовательно, преобразование ручьев в
Рис. 8-32. Ручей, преобразованный в канал.
Чтобы уменьшить эрозию и снизить опасность
наводнений, русла ручьев спрямляют и бетони-
руют. Эта мера иногда просто «сплавляет»
проблему вниз по течению. Кроме того,
разрушается естественная экосистема ручья
(фото Службы охраны почв, Сельскохозяйст-
венный департамент США)
Рис. 8-33. Резервуар для ливневой воды. Что-
бы увеличившийся поверхностный сток с за-
строенных территорий не наносил экологи-
ческого ущерба, его можно направить в такие
хранилища, откуда вода может медленно
отводиться или впитываться в землю. Конст-
рукция водонапорной трубы позволяет этому
резервуару задерживать и медленно отводить
избыток воды, тогда как некоторое ее коли-
чество постоянно сохраняется, образуя полез-
ный пруд
Рис. 8-34. Ливни могут служить дешевым
источником воды для многцх целей. На
рисунке поверхностный сток со станции обслу-
живания автомобилей накапливается и исполь-
зуется для мытья машин
Резервуар
8. ВОДА, КРУГОВОРОТ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО
261
каналы нередко способствует перемеще-
нию наводнений из одной зоны в другую.
И напротив, современная экологичес-
кая концепция использования ливневой
воды предусматривает ее накопление не-
далеко от места выпадения и сохранение
естественного отношения инфильтрация/
поверхностный сток. Поверхностный сток
после застройки территории не должен
превосходить своего прежнего уровня.
Среди множества приспособлений, позво-
ляющих добиться этого, существуют сле-
дующие:
- осушительные колодцы и рвы-ши-
рокие, мелкие, заполненные камнями,
собирающие поверхностный сток и поз-
воляющие ему просочиться в землю;
- площадки с барьерами и понижения-
ми-наклонные газоны, собирающие по-
верхностный сток в широких неглубоких
Рис. 8-35. Проект борьбы с наводнениями на
озере Нидвуд. А. Это озеро и его окрестности-
излюбленная зона отдыха в округе Монтго-
мери (Мэриленд), пригодной зоне Вашингтона.
Кроме того, оно служит водохранилищем,
предохраняющим от наводнений (Air Photogra-
phies, Inc., Силвер-Спринг, Мэриленд). Б.
В случае ливня плотина может выдержать
поднятие уровня воды на 40 футов и затем
позволить ей постепенно стечь, не допустив
наводнения и эрозии ниже по течению. В.
Рекреационное оборудование сконструировано
так, чтобы наводнения его не повреждали
(фото David Hunley)
262
Ч. III. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
впадинах, откуда он просачивается в
землю;
- автомобильные стоянки с пористым
покрытием;
- накопительные резервуары на за-
строенных территориях, собирающие по-
верхностный сток и постепенно отводя-
щие его в другое место. Такие резервуары
также могут стать местообитанием для
некоторых диких животных (рис. 8-33)
или обеспечивать запас непитьевой воды,
например, для полива газонов и мытья
машин, сокращая таким образом нагруз-
ку на муниципальную систему водоснаб-
жения (рис. 8-34). Крупные резервуары
ливневой воды иногда способны служить
и зонами отдыха (рис. 8-35). Рекреацион-
ное оборудование можно сделать таким
образом, что поднявшаяся вода не на-
несет ему ущерба, и за людей нет большо-
го основания беспокоиться, так как они
наверняка покинут зону во время ливня
независимо от того, затопит ее или нет;
- кровли зданий и площадки авто-
стоянок, спроектированные таким обра-
зом, чтобы они задерживали ливневую
воду и позволяли ей медленно стекать
в нужное место.
От слов к делу
Дешевая вода и ее потери
Существующие тенденции в использо-
вании воды, очевидно, не обеспечивают
стабильного водоснабжения. Помимо
этого они приводят к деградации при-
роды, просадке грунта и подтоку соленых
вод. Тем не менее существуют такие ши-
рокие возможности экономии и вторич-
ного использования воды, что эксплуата-
ция водных ресурсов до их полного
истощения и/или экологической катастро-
фы просто немыслима.
Охрана водных ресурсов пропаганди-
руется уже давно, и многие общественные
организации признали необходимым
ввести ограничения на полив газонов и
мытье машин во время засух. В Лос-
Анджелесе действует правило, согласно
которому все новые туалеты должны
быть водосберегающего типа. Но одни
лишь разговоры приводят к недолговеч-
ным и ограниченным результатам, а пра-
вила все более обрастают бюрократичес-
кими механизмами, затрудняющими их
правильное применение и соблюдение.
Короче говоря, немногих людей можно
уговорить экономить воду, пока связан-
ные с этим неудобства обходятся дороже,
чем она сама.
Тем не менее большинство городов
продолжает снабжать своих жителей
водой по такой низкой цене, что даже при
чрезмерном расходе оплата остается сим-
волической. Фактически в ней учитывает-
ся в основном стоимость очистки и пере-
качивания, а сама по себе вода считается
бесплатной. Поэтому экономических сти-
мулов беречь ее мало. Гораздо разумнее
поднять цену на воду. Одна «унция» эконо-
мических стимулов даст больший эффект,
чем многие «фунты» разговоров.
Трудностей для бедных можно из-
бежать путем прогрессивной оплаты, т.е.
увеличивая стоимость каждого галлона
воды при росте ее расходуемого объема.
Например, в Аризоне был принят закон
(Акт 1980 г. об использовании грунтовых
вод), согласно которому в штате будут
постепенно повышаться цены на воду,
пока они не станут достаточно высоки,
чтобы предотвратить дальнейшее падение
уровня грунтовых вод. Потребление уже
сократилось на 21% - с 205 до 161 галлона
в день на человека, хотя вода стоит всего
лишь около цента за 7 галлонов. Дальней-
шее повышение цен на воду будет также
способствовать запасанию и использова-
нию ливневой воды, а также вторичному
использованию «серой» воды. Аналогич-
ным образом субсидии на воду для
фермеров должны зависеть от степени
сбалансированности водозабора и попол-
нения, препятствуя дальнейшей деграда-
ции экосистем. Никакие другие меры не
дадут устойчивых результатов.
Что Вы можете сделать
В 1970-х гг. экоактивисты проводили
в Мэриленде многочисленные митинги и
другие мероприятия, призванные просве-
тить власти, заставить их заняться проб-
8. ВОДА, КРУГОВОРОТ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО
263
лемами водных ресурсов и поддержать
принимаемые решения. Законодатели
были поставлены в известность о том, что
задержание ливневой воды и сохранение
уровня грунтовых вод-самый дешевый
способ избежать будущих расходов, свя-
занных с наводнениями, подтоком соле-
вых вод и просадкой грунта. Постепенно
были введены в действие правила, соглас-
но которым отношение инфильтрация/
поверхностный сток после застройки тер-
ритории не должно превышать исходного
уровня. Были применены методы исполь-
зования ливневой воды, обсуждавшиеся
выше. Теперь законодательство Мэрилен-
да относительно контроля за ней может
служить примером для всей остальной
страны.
Исследуйте состояние водных ресур-
сов в Вашем районе, включая использова-
ние ливневой воды, и определите, какие
здесь существуют проблемы. Узнайте,
какие организации занимаются этими
вопросами. Включитесь в их деятель-
ность, используя Ваши знания, поддержи-
те проведение местных и региональных
законов, касающихся охраны водных ре-
сурсов. Участвуйте в работе местных от-
делений Программы действий за чистую
воду.
Последите за использованием воды в
Вашем собственном доме (найдите соот-
ветствующую информацию в счетах за
нее). Сколько воды в среднем расходуется
у Вас в день на человека? Можно ли
сократить эти цифры до 60 галлонов,
считающихся водосберегающей нормой
во многих регионах? Узнайте, куда по-
падает ливневая вода с Вашего дома и
двора. Инфильтруется ее большая часть
или стекает по поверхности? Установите
систему для сбора этой воды (хотя бы
просто бочку под водосточной трубой)
и используйте ее для полива газона, сада,
мытья машин и т.п.
Пример
Деградация Эверглейдс
Область Эверглейдс во Флориде, часто
называемая «травяной рекой», представ-
ляет собой болота, заросшие меч-травой
и видами сырых лугов, с островками,
покрытыми ивой, миртом и кипарисом.
На более высоких участках островов
встречаются тропические лиственные де-
ревья. Эти болота занимают от 40 до 60
миль в ширину и сотню миль в длину.
Невероятно плоская равнина с уклоном
всего лишь 1 дюйм на милю обусловила
широкое «русло» Эверглейдс, разделяю-
щееся на узкие протоки только там, где
рельеф становится заметнее. Плоская по-
верхность просматривается от горизонта
до горизонта, создавая ощущение бес-
крайнего пространства, редко встречаю-
щегося на земле. В сезон муссонов в
синем небе громоздятся белые грозовые
облака, и их тени медленно скользят по
болоту, когда пассаты гонят их с моря
в глубь страны. Стаи белых цапель не-
прерывно кружатся в далеке. Кажется,
нога человека еще не ступала сюда.
Известная своей редкой красотой
«травяная река» начинается юго-восточ-
нее озера Окичоби, течет на юг к своему
эстуарию и впадает во Флоридский залив
на самой оконечности полуострова Фло-
рида. Исходно истоком Эверглейдс был
юго-восточный край озера Окичоби. В
рамках программы по помощи фермерам
были прорыты каналы, соединяющие озе-
ро с Мексиканским заливом и Атланти-
ческим океаном. Лишение стока из озера
Окичоби и с его водосборного бассейна
площадью 4000 квадратных миль поста-
вило болота Эверглейдс в зависимость
только от местных осадков. Кроме того,
отгородили дамбами и оборудовали
огромными дренажными насосами их тер-
риторию площадью в 1000 квадратных
миль. Ее богатые торфяные почвы ис-
пользуются теперь в основном для выра-
щивания сахарного тростника, культуры,
которая стала выгодной из-за квот на
импорт, ограничивающих торговлю США
с такими странами, как Филиппины и
Доминиканская республика, уровень жиз-
ни в которых часто требует зарубежной
помощи.
Примерно за 5000 лет существования
болот остатки растений сформировали
торфяную почву. Торф накапливался
264
Ч. ПТ. ПОЧВА, ВОДА И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Болота Эверглейдс (John Rova/Photo Resear-
chers)
благодаря низкой скорости миграции
кислорода через слой воды на поверх-
ности болота. При осушении под сельско-
хозяйственное использование в почву от-
крывается доступ воздуха, и органический
торф становится пищей для аэробных
микроорганизмов, окисляющих его до
углекислого газа и воды. «Пепел» этого
«биохимического костра» содержит свя-
занные в процессе почвообразования азот
и фосфор. Их концентрация в почве не-
велика, но за год она разрушается таким
образом на глубину до одного дюйма,
поэтому масса высвобожденных биогенов
значительна. Кроме того, под культуру
вносятся удобрения. Дождевая вода, про-
сачиваясь сквозь почву в дренажную сеть,
вымывает из нее биогены. Насосы, от-
качивающие эту воду с сельскохозяйст-
венных угодий, сбрасывают насыщенные
биогенами растворы в Эверглейдс.
Природная растительность Эвер-
глейдс сформировалась в условиях низко-
го содержания биогенов в экосистеме. По-
вышенная концентрация азота и фосфора
в дренажных стоках приводит к тому, что
в ней начинают доминировать другие
виды. Исходные заросли меч-травы и рас-
тений сырых лугов сменяет сплошная
«монокультура» рогоза. Полностью изме-
няется перифитонное сообщество, на
которой основана пищевая сеть Эвер-
глейдс. В результате образуются болота
с очень низким содержанием растворен-
ного кислорода, бедные по видовому
составу, малопригодные для местных бес-
позвоночных, рыб, рептилий и птиц. По-
следствия эвтрофизации медленно рас-
8. ВОДА, КРУГОВОРОТ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО 265
пространяются вниз по течению как рако-
вая опухоль. Представление о болотах как
о «почках», очищающих дождевую воду,
не всегда применимо в случае фосфора.
Если отсутствует постоянный механизм
связывания этого элемента, меняется от-
носительное доминирование видов расте-
ний, и в конечном итоге происходит
гиперэвтрофизация, как в данном приме-
ре. Лучшая аналогия здесь - бумажный
носовой платок. Если в него один раз
высморкаться, он уже навсегда испорчен.
Без надлежащего контроля избыток
биогенов неизбежно распространится
вниз по течению через оставшиеся болота
до национального парка Эверглейдс,
который необходимо сохранить, так как
он создан, чтобы будущие поколения
могли изучать его уникальную природу
и наслаждаться ею. Решение этой пробле-
мы лежит не в технической, а в политико-
экономической плоскости. Задержание и
очистка ливневой воды в пределах сель-
скохозяйственных угодий потребует зем-
ли, дополнительных капиталовложений и
снизит прибыли земледельцев.
Пол К. Паркс, доктор философии,
Флоридская федерация по охране
диких животных
Часть
IV
ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Загрязнение стало обыденным словом,
наводящим на мысли об отравленных
воде, воздухе, земле. Однако на самом
деле эта проблема гораздо сложнее. За-
грязнению невозможно дать простое
определение, так как оно может включать
в себя сотни факторов, связанных с самы-
ми разными источниками. В своем отчете
за 1965 г. «Восстановление качества окру-
жающей нас среды» Отдел загрязнения
окружающей среды при Президентском
научном консультативном комитете США
определяет его как «неблагоприятное из-
менение нашего окружения, являющееся
полностью или в основном побочным
результатом деятельности человека».
Некоторые «изменения», такие как за-
грязнение воздуха или питьевой воды,
могут непосредственно влиять на здо-
ровье и самочувствие человека. Другие
чреваты косвенными эффектами. Напри-
мер, выбросы углекислого газа сказыва-
ются на климате, что в свою очередь
отражается на производстве продуктов
питания; сдвиги в концентрациях биоге-
нов приводят к гибели одних популяций
и бурному размножению других. Кроме
того, такие изменения, как, скажем, за-
сорение пляжей, могут просто уменьшать
возможности для отдыха и наслаждения
природой. Главное то, что «неблаго-
приятное изменение нашего окружения»
происходит в любом случае.
К наиболее значительным категориям
загрязнения относятся:
- неблагоприятное влияние на водные
экосистемы смытых в процессе эрозии
почвы твердых частиц;
- повышение концентрации биогенов
из-за канализационных сбросов и стока
с полей удобрений, вызывающее бурное
развитие нежелательных водорослей и
нарушение существующих экосистем;
- загрязнение болезнетворными
микроорганизмами из канализационных
стоков водоемов, служащих источниками
питьевой воды и местами отдыха; сниже-
ние содержания растворенного кислорода
в водоемах, приводящее к «замору» оби-
тающих там организмов, под влиянием
органических отходов из канализации и
других источников;
- - отравление воды ядовитыми хими-
ческими веществами из отходов и пести-
цидов;
- воздействие на воду и почву продук-
тов сжигания топлива, снижающих ка-
чество воздуха и вызывающих кислотные
дожди;
- потенциальное заражение воздуха,
воды и/или почвы радиоактивными от-
ходами и материалами, используемыми
при производстве ядерного оружия и
атомной энергии;
- выбросы углекислого газа и других
химических веществ, снижающих содер-
жание озона, что может изменить климат
и подействовать на все виды организмов.
Как показывает этот список, формула
«не сори!», которой учат детей в началь-
ных классах,- чрезмерное упрощение
проблемы загрязнения. Эколог Эдуард
Кормонди подчеркивает:
«Загрязнители - нормальные побочные
продукты жизнедеятельности человека
как чисто биологического вида и как
социального, творческого существа. Они
представляют собой органические и не-
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
267
ЗАГЯЗНЕНИЕ
Воды
Воздуха
Рис. IV-1. Загрязнение можно определить как
поступление любого вещества или материала
в неположенное место. Значит, будучи полез-
ными в одном месте, они вызывают загрязне-
ние, когда выбрасываются или поступают туда,
где никому не нужны, и могут нанести ущерб
окружающей среде или здоровью человека. На
рисунке приведены основные типы загрязнения
и их важнейшие источники
органические отходы метаболизма и
пищеварения, а также деятельности по
выращиванию и защите урожая, обогреву
домов, производству одежды, овладению
атомной энергией... Решить эту проблему
невозможно простым устранением ее при-
чин, так как, пока существует человек,
будут и побочные продукты его жизне-
деятельности. Ответ скорее кроется в
разумном управлении производством и в
контроле за неблагоприятными измене-
ниями нашего окружения» 1.
Действительно, каждый организм в
естественной экосистеме производит по-
тенциально загрязняющие среду отходы.
Устойчивость экосистемы обусловлена
тем, что отходы одних организмов стано-
вятся пищей и/или «сырьем» для других.
1 Kormondy Edward J., Concepts of Ecology,
3rd Ed., Prentice-Hall, Inc., 1984, p. 247.
268
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
В сбалансированных экосистемах отходы
не накапливаются до уровня, вызываю-
щего «неблагоприятные изменения», а
разлагаются и рециклизуются.
На протяжении большей части своей
истории люди избавлялись от отходов за
счет таких же природных процессов. Но
ситуация стала крайне нестабильной. Де-
мографический взрыв в сочетании с воз-
растающим расходом сырья и энергии
привели к поступлению в окружающую
среду огромных количеств отходов и дру-
гих ненужных человеку материалов. Даже
в том случае, если они биодеградируют,
т. е. способны ассимилироваться и рецик-
лизоваться организмами, их объемы пре-
восходят возможности естественных эко-
систем. Проблему усугубляет производ-
ство все больших количеств и типов не-
биодеградирующих материалов, которые
лишь с трудом разрушаются и ассимили-
руются в результате естественных про-
цессов.
Очевидно, загрязнение включает в себя
так много разнообразных факторов, свя-
занных таким количеством источников,
что единственного и простого средства
борьбы с ним быть не может (рис. IV-1).
В каждом конкретном случае следует
определить вызывающий проблему за-
грязнитель, выяснить его источник, а за-
тем разработать и внедрить приемлемую
стратегию контроля. Это трудоемкая и
сложная задача. Неудивительно, что, не-
смотря на все усилия и значительный
прогресс в некоторых областях, здесь все
еще остаются огромные проблемы. В
части IV мы обратимся к видам загрязне-
ния, вызывающим наиболее серьезную
озабоченность, и покажем, что уже сдела-
но и что следует сделать для борьбы
с ними. В последующих главах будут
дополнительно рассмотрены проблемы,
касающиеся пестицидов и отходов, в том
числе радиоактивных.
9
Наносы, биогены и эвтрофизация
Раздел
I. ЭВТРОФИЗАЦИЯ..................272
А. Две категории водных растений . . 272
Б. Нарушение экологического равновесия
вследствие обогащения биогенами . .273
1. Олиготрофные, или бедные биогенами,
условия.............................273
2. Обогащение биогенами, эвтрофиза-
ция ..............................273
В. Естественная и антропогенная эвтрофиза-
ция 276
Пример. Эвтрофизация озера Эри .... 293
Г. Борьба с эвтрофизацией..........276
1. Устранение симптомов...........276
а. Химические обработки . . . 276
б. Аэрация.....................278
в. Сбор водорослей.............278
2. Контроль за поступлением.биоге-
нов ...........................278
II. ИСТОЧНИКИ НАНОСОВ И БИОГЕ-
НОВ ................................279
А. Источники наносов............279
Б. Влияние осадконакопления на ручьи и
реки...........................281
1. Ущерб, наносимый водным экосисте-
мам ручьев и рек...............282
2. Засорение русел и водохранилищ 282
В. Источники биогенов............284
Г. Исчезновение болот и укрепление бере-
гов ...........................286
Учебные вопросы
1. Что вызвало отмирание морских трав
в Чесапкском заливе? Назовите это явле-
ние.
2. Назовите и опишите две основные катего-
рии водной растительности. Дайте опре-
деление и опишите бентосные растения
и фитопланктон. Откуда они получают
биогены?
3. Объясните, как обогащение биогенами
нарушает экологическое равновесие. На-
зовите этот процесс. Правда ли, что
эвтрофный водоем безжизненный?
4. Назовите различия между естественной
и антропогенной эвтрофизацией.
5. Перечислите и опишите способы борьбы
с эвтрофизацией. Какие методы направ-
лены только против ее симптомов? Какие
из них устраняют ее причину?
6. Перечислите и назовите источники нано-
сов.
7. Опишите влияние осадконакопления на
ручьи, реки и их экосистемы.
8. Опишите влияние осадконакопления на
русла и водохранилища.
9. Перечислите и назовите источники биоге-
нов.
10. Опишите, как уничтожение болот и укреп-
ление берегов влияют на осадконакопле-
ние и уровень биогенов.
270
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
III. КОНТРОЛЬ ЗА ОСАДКОНАКОПЛЕ-
НИЕМ И УРОВНЕМ БИОГЕНОВ. ЧТО
ВЫ МОЖЕТЕ СДЕЛАТЬ.............288
А. Лучшие способы выращивания газонов,
ведения хозяйства на фермах и в са-
дах ....................288
Б. Контроль за отходами на стройплощад-
ках и в горном деле............290
В. Охрана болот..................293
Г. Запрещение использования фосфатных
детергентов....................293
Д. Усиление очистки канализационных
стоков.........................293
11. Назовите различия между точечными и
неточечными источниками биогенов.
12. Приведите примеры лучших методов ве-
дения хозяйства, позволяющих контроли-
ровать осадконакопление и уровень био-
генов.
13. Опишите средства борьбы с наносами
в строительстве и горном деле.
14. Обсудите важность охраны болот.
15. Обсудите необходимость запрещения
фосфатных детергентов.
16. Обсудите необходимость удаления био-
генов из канализационных стоков.
Чесапикский залив (рис. 9-^-крупней-
ший эстуарий Северной Америки; до
1970 г. он был и наиболее продуктивным,
давая многие миллионы фунтов рыбы
и моллюсков и служа местообитанием
огромных стай разнообразной водной
дичи. Большинство пищевых цепей, обес-
печивавших такое изобилие, начиналось
с водных трав, полмиллиона акров кото-
рых росли на дне на глубине нескольких
футов. Эти заросли служили не только
пищей, но и нерестилищем рыб и моллюс-
ков, убежищем для их молоди, источни-
ком растворенного кислорода для ее
дыхания.
Однако в начале 1970-х гг. во всех
крупных впадающих в залив реках и их
субэстуариях морские травы начали гиб-
нуть. К 1975 г. их отмирание стало ката-
строфическим, а к 1980 г. они остались
только в осевой части низовьев залива.
Соответственно сократилась численность
рыб, моллюсков и водной дичи, которые
Рис. 9-1. Снимок Чесапикского залива, сделан-
ный .искусственным спутником с высоты
540 миль. Можно различить Вашингтон-сразу
под Балтимором, вверху слева. Светлые
пятна- сельскохозяйственные поля, темные -
леса. Темный тон «внизу» восточного берега
залива-остатки литоральных болот. Обратите
внимание на масштабы урбанизации и сельско-
хозяйственного использования территории
водосборного бассейна. И то и другое приво-
дит к поступлению в залив наносов и биогенов.
Светлый оттенок двух рек внизу слева - резуль-
тат эрозии почвы во время дождя (снимок
предоставлен EOSOT, Landham, Maryland.
Chesapeake Bay Foundation, 1987)
9. НАНОСЫ, БИОГЕНЫ И ЭВТРОФИЗАЦИЯ
271
зависели от этих растений. Еще более
трагическим было сокращение содержа-
ния растворенного кислорода в придон-
ных водах, что вызвало замор огромного
количества рыбы, омаров, устриц и т.п.
Что же привело к гибели морских трав
и снижению уровня растворенного кисло-
рода в Чесапикском заливе?
Рис. 9-2. Две основные категории водной
растительности. А. Бентосная, т. е. укорененная
на дне, называемая также погруженноводной.
Б. Фитопланктон - различные виды, сущест-
вующие как отдельные клетки, их скопления
или нити, свободно плавающие в воде (на
рисунке они увеличены в 500-1000 раз).
Бентосные растения получают биогены из
донных отложений, следовательно, прекрасно
чувствуют себя в воде, бедной питательными
элементами, тогда как фитопланктон зависит
от биогенов, растворенных в ней (из кн.
“Fundamentals of Ecology”, 3rd ed. by Eugene
P. Odum. Copyright 1971 by Saunders Co.
Copyright 1953 and 1959, W. B. Saunders Co.
С разрешения CBS College Publishing)
0,1 мм
Растения,укореняю- Свободно плавающие
щиеся на дне водоросли
1. Рогоз 8,9. Нитчатые зеленые
2. Ситник ю-13. Зеленые
3. Стрелолист 14-17. Диатомеи
4. Кувшинка 18-20. Сине-зеленые
5,6. Рдесты
7. Хара
б
272
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Группа ученых из Мэрилендского уни-
верситета и Виргинского института мор-
ских исследований при поддержке Агент-
ства охраны окружающей среды изучила
эту проблему. Ядовитые промышленные
отходы были явно не при чем, так как,
вызывая проблемы в определенных ме-
стах, они не могли стать причиной вы-
мирания по всему заливу. Подозрение
падало на гербициды, используемые на
фермах, но измерения показали, что их
содержание достигает опасных уровней
только в некоторых канавах и ручьях,
получающих дренажные воды прямо с
полей. Тогда исследователи обратили
внимание на освещенность, и это дало
ключ к разгадке. Воды Чесапикского
залива становились в последние десяти-
летия все более мутными и темными,
причем муть не оседала в течение долгого
времени. Недостаток света снизил интен-
сивность фотосинтеза, и в результате по-
гибли водные травы. Какова же причина
помутнения? Ею оказались наносы, т. е.
взвешенные частицы глины, и фитопланк-
тон - одноклеточные водоросли, плаваю-
щие в толще воды и размножающиеся
делением.
С гибелью морских трав прекратился
фотосинтез, обеспечивавший поступление
в залив растворенного кислорода. Более
того, бактерии-редуценты, питавшиеся
остатками погибших растений фито-
планктона и другим органическим ве-
ществом, потребляли этот кислород, де-
лая его недоступным рыбам и моллюс-
кам.
Чесапикский залив подвергся эвтро-
физации. Это не редкий случай. За послед-
ние 40 лет многие тысячи прудов и озер,
в том числе и довольно крупных, испыта-
ли ту же участь, причем проблема про-
должает распространяться. Если не обра-
тить на нее внимание, многие эстуарии
и даже целые прибрежные участки океана
могут разделить судьбу Чесапикского
залива, а это повлечет за собой сокраще-
ние уловов рыбы и моллюсков во всем
мире. Задача этой главы-подробно рас-
смотреть проблему эвтрофизации, чтобы
попять, как с ней бороться и восстановить
жизнь в пострадавших водоемах.
Эвтрофизация
Две категории водных
растений
Чтобы глубже понять проблему эвтро-
физации, необходимо научиться разли-
чать две жизненные формы водных расте-
ний: бентосную и фитопланктонную.
Бентосные (от греч. benthos-глубина)
растения развиваются, прикрепившись
или укоренившись на дне. Пример-все
обычные аквариумные виды и морские
травы (рис. 9-2, Л). Эту группу называют
также погруженной водной раститель-
ностью. Они выживают в бедной биоге-
нами воде, так как получают необходи-
мые элементы, например азот и фосфор,
из донных отложений, но нуждаются в
проникновении сквозь толщу воды доста-
точного для фотосинтеза количества
света.
Толща воды от поверхности до пре-
дельной глубины, на которой возможен
фотосинтез, называется эвфотической зо-
ной. В очень чистой воде она может дости-
гать около 30 м. Однако, если вода стано-
вится мутной, эвфотическая зона умень-
шается, в крайних случаях составляя не
более нескольких дюймов (1 дюйм =
= 2,5 см).
Фитопланктон (от греч. phyton-расте-
ние и planktos - блуждающий) состоит из
множества видов водорослей, представля-
ющий собой отдельные клетки, их скопле-
ния или «нити», которые держатся вблизи
поверхности воды или прямо на ней
(рис. 9-2, Б). Очевидно, что мутная вода
мало на них влияет, а высокая числен-
ность планктона - сама по себе важней-
шая причина ее помутнения. В крайних
случаях вода становится зеленой, бук-
вально как гороховый суп, или приобре-
тает окраску чая в зависимости от присут-
ствующих видов, а на ее поверхности
может плавать фитопланктонная пена,
поглощающая практически весь свет
(рис. 9-3). Фитопланктон не связан с дном,
поэтому должен получать биогены из во-
ды. Соответственно их недостаток в воде
тормозит его развитие.
Поняли теперь, как концентрация био-
9. НАНОСЫ, БИОГЕНЫ И ЭВТРОФИЗАЦИЯ
273
Рис. 9-3. В воде, богатой биогенами, фито-
планктон иногда разрастается так бурно, что
образует на поверхности толстую пену. Однако
и без этого он может сильно сократить доступ
света к бентосной растительности (Stephen
Collins/Photo Researchers)
генов в воде влияет на соотношение меж-
ду фитопланктоном и бентосной расти-
тельностью? Ниже мы рассмотрим роль
в этом процессе человека.
Нарушение экологического
равновесия вследствие
обогащения биогенами
Олиготрофные, или бедные биогенами,
условия
Естественные наземные экосистемы
очень эффективно поглощают и рецикли-
зуют биогены, предотвращают поверхно-
стный сток и эрозию. Таким образом,
в природе с суши в водоемы попадают
относительно небольшие количества твер-
дых частиц и растворенных веществ. В
результате в озерах и эстуариях, питаю-
щихся чистыми реками и ручьями, соз-
даются олиготрофные, т. е. бедные биоге-
нами, условия. Это ограничивает рост
фитопланктона, но позволяет бентосной
растительности развиваться на глубине
до Юм, обычной для эвфотической зоны.
Атмосферный кислород очень медлен-
но растворяется и смешивается с водой.
Следовательно, бентосные растения не
только обеспечивают пищу и убежище
водным животным, но и поддерживают
высокое содержание растворенного О2 на
глубине, так как, выделяясь в процессе их
фотосинтеза, он попадает непосредствен-
но в воду. Таким образом, в водоеме,
обедненном питательными элементами,
может существовать богатая, разнообраз-
ная экосистема, состоящая из рыб, мол-
люсков и бентосных растений, которыми
они питаются (рис. 9-5, Л).
Обогащение биогенами, эвтрофизация
В условиях эрозии и выщелачивания
водоем постепенно заполняется наносами
и обогащается биогенами. Накопление
последних способствует развитию фито-
планктона, а значит, помутнению воды
и затенению бентосной растительности.
Наносы еще больше осложняют эту проб-
лему. Кислород, выделяемый планктоном
274
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 9-4. Уровни растворенного кислорода,
типичные для олиготрофных и эвтрофных
условий (С разрешения Robert Leo Smith, The
Ecology of Man: An Ecosystem Approach, 2nd ed.,
p. 281. Harper and Row, Pub., Inc., 1976)
при фотосинтезе, перенасыщает верхний
слой воды и улетучивается с ее поверх-
ности. В ясный солнечный день на пруду
часто можно наблюдать, как из скоплений
нитчатых водорослей всплывают пузырь-
ки кислорода. Таким образом, фотосинтез
фитопланктона не пополняет глубинные
воды растворенным кислородом.
Более того, у фитопланктона очень
короткий жизненный цикл, а это означает,
что его постоянный быстрый рост и раз-
множение компенсируются отмиранием,
ведущим к накоплению огромного коли-
чества детрита. «Дождь» отмершего
фотопланктона поставляет его в часть
водоема, находящуюся глубже эвфотичес-
кой зоны. Питаясь детритом, редуценты,
в основном бактерии, также потребляют
в процессе дыхания кислород, сокращая
тем самым его содержание в воде. Когда
растворенного кислорода не остается,
бактерии выживают за счет анаэробного
брожения, т.е. они могут поддерживать
содержание кислорода в воде на нуле,
пока присутствует детрит, которым они
питаются. Следовательно, содержание
растворенного кислорода бывает крайне
высоким у поверхности за счет фотосин-
теза фитопланктона, тогда как на глубине
его запасы истощаются редуцентами
(рис. 9-4).
«Дождь» фитопланктона переносит
усвоенные им биогены на дно, но по мере
разложения детрита они вновь высвобож-
даются. Поскольку холодная, более плот-
ная вода опускается вниз, а теплая подни-
мается вверх, возникают конвекционные
потоки, возвращающие биогены к поверх-
ности, и весь процесс неоднократно пов-
торяется.
Эвтрофизацией называется обогащение
водоема биогенами, стимулирующее рост
фитопланктона. От этого вода мутнеет,
гибнут бентосные растения, сокращается
Рис. 9-5. А. Процесс эвтрофизации. В естест-
венных условиях водоемы обычно бедны
биогенами, так как те удерживаются природ-
ными экосистемами суши. Получая биогены из
донных отложений, бентосная растительность
обеспечивает пищей, убежищем и растворен-
ным кислородом рыб, моллюсков, ракообраз-
ных и т.п. Б. Биогены, поступающие со
сточными водами и смываемыми с полей
удобрениями, стимулируют рост фитопланк-
тона, который затеняет бентосную раститель-
ность и лишает рыб и других водных животных
убежища, пищи и растворенного кислорода.
Затенение усугубляется наносами, поступаю-
щими в водоем в результате эрозии. В.
Разложение отмирающих водорослей еще
больше снижает содержание в воде кислорода,
рыбы, и обитатели дна задыхаются
9. НАНОСЫ, БИОГЕНЫ И ЭВТРОФИЗАЦИЯ
275
концентрация растворенного кислорода,
задыхаются обитающие на глубине рыбы
и моллюски. К помутнению воды ведут
и наносы (рис. 9-5).
Озера, подверженные эвтрофизации,
иногда называют «мертвыми», но с био-
логической точки зрения это неправиль-
но, так как общая биопродуктивность
фитопланктона может быть значительно
выше, чем у бентосной растительности.
В свою очередь им иногда питаются
крупные популяции некоторых рыб, из-
бегающих глубоких, обедненных кислоро-
дом слоев воды. Например, в Чесапикс-
ком заливе постоянно повышается чис-
ленность планктофагов анчоуса и менхэ-
ЭВТРОФИЗАЦИЯ
п <3
Редуценты питаются
детритом и потревляют
Рыбы, моллюски, ракоов-
разные гибнут от
недостатка кислорода,
пищи и увежищ
276
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
дена, но эти рыбки слишком жирные и
мелкие, поэтому не представляют интере-
са ни для кулинарии, ни для спортивной
ловли. Значит, правильнее рассматривать
эвтрофизацию как смену богатой экосис-
темы, основанной на бентосной расти-
тельности, на простую, основанную
на фитопланктоне. Однако, поскольку
эвтрофный водоем не доставляет эстети-
ческого удовольствия от плавания, ката-
ния на лодках и рыбной ловли, его можно
считать «мертвым» с этой точки зрения.
Кроме того, если озеро служит источни-
ком питьевой воды, ее качеству грозит
серьезная опасность: клетки водорослей
быстро забивают водоочистные фильтры
и придают воде неприятный вкус.
Естественная и антропогенная
эвтрофизация
В геологических масштабах времени
водоемы постепенно обогащаются биоге-
нами и заполняются поступающими с
суши наносами. Таким образом, их эвтро-
физация - составная часть естественного
процесса, называемого сукцессией (см.
гл. 3). Люди значительно ускорили его. За
несколько десятилетий они привели к
изменениям, которые в природных усло-
виях происходили бы тысячи лет. Поэто-
му можно говорить об антропогенной
эвтрофизации, вызванной и ускоренной
деятельностью человека, противопостав-
ляя ее естественной (см. пример к этой
главе).
Мы привыкли почти автоматически
сваливать все связанные с загрязнением
проблемы на промышленный выброс ядо-
витых соединений. Однако эвтрофизация
вызывается тем, что всегда считалось без-
вредным,- почвенными частицами и удоб-
рениями. Это подтверждает вывод, сде-
ланный в гл. 3: «Изменение любого при-
родного фактора может сильно нарушить
равновесие экосистемы».
Борьба с эвтрофизацией
Существуют два основных подхода к
борьбе с эвтрофизацией. Один из них
направлен против ее симптомов: развития
водорослей и/или снижения уровня рас-
творенного кислорода. При другом стре-
мятся устранить причину: чрезмерное по-
ступление наносов и биогенов. В некото-
рых случаях еще продолжают бороться
с симптомами, но успех здесь сомнителен
и все более дорогостоящ. Следует учесть,
насколько краткосрочен эффект таких
мер, и не пытаться повторять чужие
ошибки.
Устранение симптомов
Химические обработки. В сельском
хозяйстве для устранения нежелательных
растений очень успешно применяются
гербициды. Вполне естественной была
мысль, что водоросли также можно унич-
тожить химической обработкой (рис. 9-6).
В 1960-1970-х гг. в пруды и озера
сброшены тысячи тонн химикатов. Оказа-
лось, что они не помогают. Фитопланк-
тон, особенно самые «агрессивные» сине-
зеленые водоросли, относятся к наиболее
устойчивым к ядам организмам. Если
добавить в водоем количество химикатов,
достаточное для их уничтожения, все
остальное в нем тоже погибнет. Когда
концентрация гербицидов понизится, пер-
выми появятся опять-таки планктонные
водоросли, поскольку не устранена основ-
ная причина их развития: высокое содер-
жание в воде биогенов. Кстати, химикаты,
избирательно убивающие водоросли, не
нанося при этом ущерба остальным вод-
ным растениям и животным, пока не
известны.
Тем не менее некоторые водохрани-
лища до сих пор обрабатывают медным
купоросом для борьбы с водорослями,
иначе те слишком быстро забивают
фильтры и портят вкус воды. Однако
медь даже в небольших количествах ядо-
вита для всех живых организмов. Следо-
Рис. 9-7. Во избежание последствий эвтрофиза-
ции озера и водохранилища можно искусствен-
но аэрировать. Это способствует и переводу
фосфатов в нерастворимые формы с после-
дующим их осаждением (фото Службы охраны
почв, Сельскохозяйственный департамент
США)
Рис. 9-6. Опрыскивание водоемов гербицида-
ми для уничтожения нежелательной раститель-
ности. Каковы будут побочные эффекты?
(ФАО, фото S. Baron)
278
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 9-8. Борясь против использования герби-
цидов для борьбы с водорослями, эти жители
Коламбии (штат Мэриленд) вызвались соби-
рать водоросли вручную (фото Bruce Fink)
вательно, отдаленные последствия такой
практики вызывают беспокойство. Вряд
ли здесь стоит рассчитывать на устойчи-
вый эффект.
Аэрация. Установка в эвтрофном пру-
ду или озере механической системы по-
дачи воздуха будет поддерживать содер-
жание растворенного кислорода на доста-
точно высоком уровне и по крайней мере
предотвратит замор рыбы (рис. 9-7). Кро-
ме того, в результате аэрации может так-
же сократиться содержание в воде фосфа-
тов, так как они перейдут в нераствори-
мую форму. Нежелательных побочных
эффектов не будет. Однако энергетические
затраты на аэрацию крупного водоема
заставляют искать другой выход из поло-
жения.
Сбор водорослей. Местные жители
могут вручную собирать водоросли в
окрестных озерах, получая из них непло-
хое органическое удобрение. Положив
между двумя лодками несколько досок,
как показано на рис. 9-8, Вы получите
плот, исключительно удобный для этих
целей. Если с поверхности собирать на-
капливающийся местами слой водорослей
и другого мусора, внешний вид водоема
значительно улучшится, но удалить
основную массу фитопланктона, т. е. взве-
шенные в воде микроскопические клетки,
невозможно. Фильтрование также не по-
могает, так как водоросли быстро засоря-
ют фильтры. Наконец, в случае крупных
водоемов типа Чесапикского залива или
озера Эри стоимость таких мер и их
техническая выполнимость быстро заста-
вят от них отказаться.
Контроль за поступлением биогенов
Следует вывод, что борьба с эвтро-
физацией требует уменьшения притока
наносов и биогенов. Необходимо выявить
и оценить их источники, а затем приме-
нить экономически эффективные методы
контроля за ними
9. НАНОСЫ, БИОГЕНЫ И ЭВТРОФИЗАЦИЯ
279
Источники наносов и биогенов
Итак, причина эвтрофизации - поступ-
ление наносов и биогенов. Опыт показы-
вает, что, если его сократить, существую-
щие количества постепенно стабилизиру-
ются или будут вынесены из системы.
Значит, в водоеме могут со временем
восстановиться олиготрофные условия.
Источники наносов
Источник всех наносов - почвенная
эрозия. Где бы она ни происходила, коли-
чество твердых осадков, выносимых
ручьем и реками в озера, заливы, эстуарии
и наконец в океан, возрастает. Ниже при-
веден перечень основных источников эро-
зии.
Пашни. Даже при относительно хоро-
шем контроле за эрозией каждый акр
(0,4 га) теряет ежегодно 3-5 т почвы,
которая становится частью наносов в
Рис. 9-9. Овраги вдоль обочин этих строящих-
ся дорог свидетельствуют о сильной эрозии.
Такое строительство - один из важнейших
источников наносов, поступающих в водоемы
(фото автора)
280
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 9-10. Эрозия при открытых горных разра-
ботках. В таких карьерах она действует на
огромные массы земли. В результате водоемы
в окрестностях часто страдают от интенсивно-
го осадконакопления. Кроме того, происходит
загрязнение воды химическими веществами,
вымываемыми из извлеченной породы (Francis
Current/Photo Researchers)
водотоках. Без надлежащей охраны поч-
вы каждый акр может терять ее свыше
20 т в год.
Пастбища, страдающие от перевыпаса.
Пастбища и выгоны, на которых в резуль-
тате стравливания образовались пропле-
шины и выбитые скотом тропы, страдают
от овражной эрозии и добавляют в во-
доемы примерно такое же количество
наносов.
Площади, на которых сведен лес. Кру-
тые склоны, на которых сведены леса,
могут терять и поставлять в водотоки
сотни тонн наносов с каждого акра (см.
рис. 7-27).
Стройплощадки. Приблизительно
0,6 млн. га земли в США ежегодно заня-
ты под строительство домов, дорог и дру-
гих сооружений. У обнажаемой в резуль-
тате подпочвы невысокие инфильтрацион-
ные качества, а создаваемые склоны часто
крутые и неустойчивые. Поверхностный
сток часто вызывает здесь сильную эро-
зию. Размытые водой обочины строящих-
ся дорог, вероятно, знакомы каждому
(рис. 9-9). Потери 1000 т грунта с акра
в таких случаях не исключение, а иногда
достигают и 10000 т. Другими словами,
потери почвы со стройплощадок за год
могут превысить количество, сносимое с
поверхности земли в естественных усло-
виях за 20000-40000 лет.
Карьеры. В США около 3 млн. акров
занято карьерами, причем ежегодно их
количество увеличивается, так как требу-
ется все больше угля для удовлетворения
наших энергетических потребностей. Эро-
зия на карьерах сходна с происходящей
на стройплощадках, но карьеры обычно
крупнее и остаются открытыми более
длительный период времени (рис. 9-10).
В 1977 г. принят федеральный закон о
рекультивации земель после открытых
горных разработок, но он не всегда про-
водится в жизнь и продолжаются попыт-
9. НАНОСЫ, БИОГЕНЫ И ЭВТРОФИЗАЦИЯ
281
Рис. 9-11. После строительных работ часто
остаются многочисленные участки голой зем-
ли, которая, как здесь, на обочине шоссе, никак
не закреплена. Непрерывная эрозия с таких
пятен значительно усугубляет загрязнение
водоемов наносами (фото автора)
ки внести в него смягчающие поправки.
Пока же эрозии подвергаются около
2 млн. акров заброшенных карьеров.
Овражная и береговая эрозия. Овраж-
ная эрозия, вызванная неудачным разме-
щением выходов ливнестоков, увеличива-
ет снос материала с застроенных участ-
ков; дополнительный источник наносов-
ускоренная береговая эрозия, вызываемая
паводками (см. гл. 8).
Прочие источники. Обратите внима-
ние на обнаженные участки почвы вокруг
школ, домов, магазинов, вдоль дорог, где
земля после застройки оголена, а расти-
тельность не восстановлена. Такие участ-
ки обычно не зарастают сами собой и
непрерывно подвергаются эрозии (рис.
9-11). Каждый из них может быть не очень
большим, но в совокупности они дают
значительную часть наносов.
Какой из этих источников преоблада-
ет, зависит от особенностей хозяйствен-
ной деятельности в конкретном регионе.
Влияние осадконакопления
на ручьи и реки
Сначала наносы представляют собой
просто смытую почву, но текущая вода
быстро разделяет ее на частицы песка,
пыли, глины и гумуса, переносимые с
различной скоростью. Г рубозернистый
материал, если он не остался на суше,
быстро оседает и засоряет русла в участ-
ках с замедленным течением. Пыль пере-
носится гораздо дальше, но обычно осе-
дает в устье реки, где она впадает в более
крупный водоем и ее течение еще больше
замедляется. Тонкая глина и гумус могут
оставаться взвешенными даже в стоячей
воде днями, следовательно, легко сносят-
ся вниз по течению и распространяются
по крупным озерам и эстуариям, умень-
шая в воде освещенность и усугубляя
проблему эвтрофизации. Однако отрица-
тельное влияние наносов начинается не-
посредственно в ручьях и реках.
282
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Ущерб, наносимый водным
экосистемам ручьев и рек
Когда эрозия слаба, ручьи и реки,
протекающие по данной местности, оста-
ются чистыми. В них обитают продуцен-
ты, т. е. водоросли и другие водные расте-
ния, которые прикрепляются к камням
или укореняются на дне. Вместе с разно-
образным детритом из опавших листьев
и т. п. они лежат в основе сложной пище-
вой сети, включающей бактерий, простей-
ших, червей, личинок насекомых, улиток,
рыбу и ракообразных. Чтобы их не унесло
течением, эти организмы прикрепляются
к камням или находят себе убежище
между и под ними. Даже рыбы, сохраняю-
щие свое местоположение за счет актив-
ного плавания, иногда нуждаются в таком
убежище для отдыха.
Наносы действуют на эту экосистему
Рис. 9-12. Букву S на камне я начертил пальцем
в слое ила. Это показывает количество нано-
сов, поступающих в ручей со стройплощадки
выше по течению. Такие наносы могут причи-
нять значительный вред организмам, прикреп-
ленным к камням
Рис. 9-13. Отрицательное воздействие осадко-
накопления на водные экосистемы ручьев и рек.
А. Экосистема ручья, не страдающего от
сильного осадконакопления. Б. Перемены,
происходящие вследствие интенсивного по-
ступления наносов. В. Русло реки, заполненное
наносами в результате эрозии в ее верхнем
течении. Видны песчаные гребни, которые
движутся по дну при высокой воде. Как это
влияет на обитателей реки? Река Платт около
Лексингтона, штат Небраска (Charts R. Bel-
luk/Photo Researchers)
разными путями. Взвешенные частицы
глины и органического вещества делают
воду мутной и, сокращая доступ света
в глубину, снижают интенсивность фото-
синтеза. По мере оседания они покрыва-
ют все непрозрачным слоем, препятству-
ющим фотосинтезу (рис. 9-12). Животные
могут погибнуть из-за засорения жабр
и пищедобывающих органов. Особенно
чувствительна к обволакиванию осадками
икра рыб и других водных организмов.
Губительны и отложения песка и пы-
ли, которые не так легко переносятся во
взвешенном состоянии, но постепенно
движутся по дну. Перекатываясь и сдви-
гаясь, эти частицы отрывают организмы
9. НАНОСЫ, БИОГЕНЫ И ЭВТРОФИЗАЦИЯ
283
Песок, двигаясь по дну, отры-
вает от камней
ные
Наносы
в
284
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
от камней. Они погребают и обволакива-
ют обитателей дна, а также заполняют
места, где прячутся и отдыхают рыбы
и раки. Водные растения и другие орга-
низмы теряют возможность закрепиться
на месте, так как дно представляет собой
постоянно движущийся слой песка (рис.
9-13). Береговая эрозия, усугубленная
засорением русла наносами, приводит к
тому, что ручьи и реки становятся шире
и мельче. Как уже отмечалось в гл. 8,
с поверхностным стоком в них поступает
множество других загрязнителей. В пе-
риоды спада воды река может превра-
щаться в широкую полосу донных отло-
жений с меандрирующими по ним узкими
протоками (рис. 9-13). В ручье, сильно
загрязненном наносами, сохраняется
лишь малая часть естественной экосис-
темы.
Средства массовой информации не
уделяют наносам столько же внимания,
сколько опасным отходам и некоторым
другим загрязнителям. Однако наруше-
ние почвенного покрова распространено
настолько широко, что лишь немногие
ручьи и реки не пострадали от избыточно-
го осадконакопления. Следовательно, на-
носы-наиболее опасный их загрязнитель.
По мере того как во всем мире вследствие
выпахивания, перевыпаса и сведения ле-
сов увеличивается эрозия (гл. 7), усугубля-
ется и пагубное воздействие осадконакоп-
ления на водные экосистемы.
Засорение русел и водохранилищ
Из-за наносов возникают и серьезные
экономические проблемы. В гл. 8 осбуж-
далось, как отложения заполняют и пере-
крывают русла ручьев, усугубляя пробле-
мы паводков и береговой эрозии. Кроме
того, ими заполняются водохранилища,
судоходные пути, засоряются ороситель-
ные каналы. Окончательно эта проблема
неразрешима, так как расчищенные участ-
ки вскоре вновь заполняются наносами,
а очистными работами охвачены не все
районы, где они необходимы. Осадкона-
копление ежегодно снижает объем водо-
хранилищ (рис. 9-14,Л,Б’). Эти потери
усилят нехватку воды в будущем, так как
новых мест, подходящих для размещения
водохранилищ, немного. Следовательно,
драгирование большинства водохрани-
лищ неизбежно.
Наряду с затратами на расчистку
проблему создает размещение извлечен-
ного материала. Его нельзя просто сва-
лить за землю, так как донный осадок
сильно отличается от исходной почвы.
Песок, пыль и глина осаждаются с раз-
личной скоростью и в разных местах.
Масштабы этой проблемы иллюстрирует
пример Балтиморской гавани в Мэрилен-
де. Она нуждалась в драгировании, но
осуществление проекта откладывалось в
течение 15 лет, так как не был решен
вопрос, куда девать извлеченный осадок.
В данном случае он представлял собой
липкую грязь из тонкой глины, содержа-
щую 90% воды и щедро «удобренную»
муниципальными и промышленными от-
ходами, накапливавшимися в гавани дол-
гие годы. В итоге было принято решение
создать из этого материала остров.
По оценкам Службы охраны почв,
ущерб от наносов обходится США в
6 млрд, долларов ежегодно, и все же
большую часть его устранить не удается.
Дело, однако, не только в деньгах. При
драгировании тонкие частицы неизбежно
поднимаются и перераспределяются, т.е.
начинается новый этап осадконакопления.
Источники биогенов
Биогены, например нитрат-, фосфат-
и калий-ионы, прикрепляются к частицам
глины и гумуса (вспомните, ионообмен-
ную емкость почвы), следовательно, они
неизбежно сопутствуют наносам, и все
источники последних одновременно слу-
жат источниками биогенов. Кроме того,
большие их количества несут в водоемы:
- удобрения, вымываемые с полей;
- удобрения, вымываемые с газонов
и из садов;
- отходы животноводства, смываемые
с пастбищ, ферм, из конюшен и других
мест скопления животных. Вспомните
(гл. 2), что усвоенные растениями биогены
животные выделяют с мочой и экскремен-
тами, метаболически перерабатывая пи-
9. НАНОСЫ, БИОГЕНЫ И ЭВТРОФИЗАЦИЯ
285
Рис. 9-14. Озеро Комо (штат Миннесота) за
десять лет -с 1926 по 1936 г.-было заполнено
наносами, поступавшими в результате эрозии,
вызванной сведением лесов и распашкой вдоль
склонов (фото Службы охраны почв, Сельско-
хозяйственный департамент США)
щу. Следовательно, любые отходы жи-
вотного происхождения, включая и чело-
веческие,-богатый источник биогенов;
- смываемые из городов и пригородов
отходы домашних животных. Плотность
последних в городах по меньшей мере
в 100 раз выше, чем в диких популяциях
видов таких же размеров в естественных
экосистемах. Экскременты домашних жи-
вотных наряду с удобрениями, вымывае-
мыми с газонов и из садов, делают
поверхностный сток из городских и при-
городных районов одним из важнейших
источников биогенов;
- экскременты человека. Плотность
населения в городах по меньшей мере
в 1000 раз выше, чем у диких животных
сходного размера в естественной экосис-
теме. Следовательно, с экскрементами в
286
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
среду поступает огромное количество
биогенов. В развитых странах большая
часть канализационных стоков очищает-
ся. Однако системы их очистки, сущест-
вующие в настоящее время в большинстве
городов, не предусматривают устранения
биогенов, и те попадают в водотоки
вместе с обработанной водой. Значит,
очистные сооружения - один из важней-
ших источников биогенов (см. гл. 10);
- фосфатсодержащие детергенты. В
водных экосистемах фосфат часто являет-
ся лимитирующим фактором, поэтому
его содержание имеет особое значение.
Подсчитано, что человеческие экскремен-
ты дают только 30% фосфата сточных
вод, а 60% поступают в них с детергента-
ми. Обычное мыло, реагируя в воде с
кальцием, дает нерастворимый творожис-
тый осадок (вспомните след вокруг слив-
ного отверстия ванны). Когда появились
современные стиральные машины с цент-
рифужным механизмом сушки, этот оса-
док стал оставаться на белье, поэтому
мыло вытеснили детергенты. Их молеку-
лы состоят из длинной углеводородной
цепочки, хорошо растворимой в жирах,
с одной стороны, и прекрасно раствори-
мой в воде фосфатной группы-с другой
(см. рис. 11-10). Такая молекула захваты-
вает жирное или маслянистое вещество
и переносит его в водный раствор, не
осаждаясь при этом в жесткой воде. Фос-
фат прекрасно подходит для водораство-
римой части детергента, так как не дорог
и не токсичен. Но в настоящее время
стали доступными его заменители;
- кислотные дожди. В 1988 г. Фонд
защиты окружающей среды сообщил, что
они дают четвертую часть азота, посту-
пающего в Чесапикский залив. Азотная
кислота-один из важнейших их компо-
нентов. Помимо кислотности, связанной
с присутствием Н\ они обусловливают
поступление в экосистемы NO3-азотсо-
держащего биогена.
Какой их этих источников наиболее
важен, очевидно, зависит от соотношения
населенных пунктов и ферм в регионе.
Для водосборного бассейна Чесапикского
залива, например, рассчитано, что с ферм,
с городских территорий и из водоочист-
ных сооружений поступает приблизитель-
но равное количество биогенов. Если
содержание азота в кислотных дождях
действительно так существенно, как счи-
тает Фонд защиты окружающей среды,
главных источников четыре. Последний
из них подробно рассматривается в гл. 13.
Исчезновение болот
и укрепление берегов
Человеческая деятельность не только
приводит к повышенному поступлению
в водоемы наносов и биогенов, но и силь-
но нарушила системы их естественного
контроля - болота. Болота - это участки
суши, покрытые небольшим слоем воды
в определенные периоды времени и более
или менее высыхающие в другие. В зави-
симости от глубины и продолжитель-
ности затопления выделяют несколько их
типов. Они бывают как солеными, так
и пресными.
Во время паводков болота, располо-
женные вдоль русел, и особенно в устьях
ручьев и рек, принимают избыточную
воду, обогащенную илом и биогенами. По
мере медленного движения воды по боло-
там ил и связанные с ним биогены оседа-
ют, и вода просачивается в грунтовые
воды очищенной. Таким образом, болота
играют жизненно важную роль, отфиль-
тровывая из воды осадок и питательные
элементы перед тем, как она попадает
в озера, заливы и эстуарии. Важны они
и для пополнения грунтовых вод. Кроме
того, болота, обогащенные биогенами,
представляют собой чрезвычайно продук-
тивные экосистемы, в которых обитают
стаи водной дичи и другие дикие живот-
ные.
Приливно-отливные (литоральные)
болота представляют собой широкие тра-
вяные зоны по берегам морей, покрывае-
мые неглубоким слоем воды во время
приливов и обнажающиеся при отливах.
Они очень важны для очистки эстуариев
от ила и биогенов. Прилив выносит их на
болота. Отступая с отливом, вода про-
цеживается через траву, корни и почву,
теряя здесь большую часть ила и биоге-
нов. Питательные элементы используют-
9, НАНОСЫ, БИОГЕНЫ И ЭВТРОФИЗАЦИЯ
287
Рис. 9-15. А. Волны и приливы гонят воду,
содержащую осадок, на прибрежные болота,
которые отфильтровывают из нее взвеси, когда
она отступает. Б. Когда береговая линия
укреплена, волны, ударяясь об облицовку,
поднимают донные отложения и вода все
время остается мутной. Таким образом,
укрепление берегов сильно осложняет пробле-
му осадконакопления
ся болотами, которые становятся наибо-
лее продуктивными из всех экосистем.
Другая функция прибрежных болот-
ослабление деятельности воды, что также
способствует задержке здесь наносов и
биогенов. Волны, проходя через покров
болотной травы, постепенно сбавляют
силу и скорость. Отступая, вода фильтру-
ется, осадок из нее удаляется и удержива-
ется на месте (рис. 9-15).
Но обычно, сталкиваясь с болотами,
люди прежде всего видят, что они слиш-
288
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
ком мокрые, чтобы строить или пахать,
и слишком сухие, чтобы плавать на лод-
ках. Следовательно, их рассматривают
как «бросовые земли», пригодные только
для «улучшения». Более 50% болот в
США уничтожены путем осушения или
обводнения. Например, вдоль Чесапикс-
кого залива более 50% береговой линии
закреплено, т. е. грунт вынут на глубину
3-4 фута и использован для наращивания
в высоту берега, край которого облицо-
ван.
Преимущества такого обустройства
береговой линии очевидны, однако при
этом теряется очистная способность бо-
лот, и волны, ударяясь об облицовку,
создают турбулентные потоки, взмучи-
вающие осадок и удерживающие его во
взвешенном состоянии, что неизбежно
снижает освещенность толщи воды, за-
трудняет фотосинтез и рост прибрежной
водной растительности.
Контроль
за осадконакоплением
и уровнем биогенов.
Что Вы можете сделать
Лучшие способы
выращивания газонов,
ведения хозяйства
на фермах и в садах
Поверхностный сток с сельских и го-
родских территорий-неточечный источ-
ник загрязнения, так как он поступает
с обширных площадей и противопостав-
ляется таким точечным источникам, как,
например, выход трубы водоочистного
сооружения. Краеугольным камнем госу-
дарственного законодательства о контро-
ле за загрязнением воды стал Акт от
1972 г. о чистой воде, но до недавнего
времени меры по его соблюдению кон-
центрировались на точечных источниках.
Во-первых, их легче выявить и измерить,
во-вторых, огромное воздействие нето-
чечных источников недооценивалось.
Однако в 1987 г. Акт о чистой воде был
пересмотрен, и в нем появился новый
Рис. 9-16. Борьба с эвтрофизацией при помо-
щи защитных лесополос. Создание древесных
насаждений по берегам водоемов способствует
поглощению и удержанию биогенов, которые
в противном случае попадали бы с полей прямо
в воду
раздел (№ 319), требующий от штатов
внедрения программ контроля за нето-
чечными источниками загрязнения.
Для этого в первую очередь требуется,
чтобы фермеры и домовладельцы осозна-
ли место эрозии почвы и/или поверхност-
ного стока биогенов с принадлежащих им
земель в общей проблеме эвтрофизации
и использовали «оптимальный способ
хозяйствования». Оптимальный способ хо-
зяйствования-это всеобъемлющий тер-
мин, включающий анализ всех методов
охраны почв, обсуждавшихся в гл. 7, и вы-
бор наиболее подходящего из них для
каждой конкретной ситуации. Прежде
всего имеются в виду предотвращение
эрозии при помощи создания раститель-
ного покрова или мульчирования, под-
держание высокого содержания гумуса в
почве и использование органических удоб-
рений для сохранения в ней биогенов.
Там, где поля непосредственно при-
мыкают к ручьям, рекам или озерам,
владельцам следует высаживать защит-
ные полосы растений, чтобы они улавли-
вали и поглощали стоки, обогащенные
биогенами (рис. 9-16). Там, где отходы
животных с ферм, выгонов или конюшен
могут попасть прямо в водоемы, следует
создавать пруды для сбора обогащенного
питательными веществами поверхностно-
го стока. Эту воду можно использовать
для орошения, возвращая таким образом
биогены в почву (рис. 9-17). Вместо того
чтобы позволять животным пить воду из
Рис. 9-17. Пруд для сбора стоков с животно-
водческой фермы. Попав в естественные
водоемы, они могут значительно усилить, их
эвтрофизацию. Этого можно избежать, соби-
рая стоки в специальные пруды, откуда и воду,
и биогены можно использовать вторично.
Многие фермеры используют такие стоки для
орошения
9. НАНОСЫ, БИОГЕНЫ И ЭВТРОФИЗАЦИЯ
289
не попадают в водоем
290
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 9-18. Закрепление почвы с помощью
растительности. На этой фотографии видно,
что, если берег засеять травой, эрозия, если
и происходит, то сведена до минимума. Если
берег обнажен, он будет сильно эродирован.
Откладывая посев травы до окончания строи-
тельных работ, мы допускаем максимальную
эрозию. И напротив, ее можно в значительной
степени предотвратить, выравнивая и засевая
почву как можно скорее (фото Службы охраны
почв, Сельскохозяйственный департамент
США)
водоемов, одновременно выделяя в них
продукты жизнедеятельности, следует
устроить им поилки на суше. Необходи-
мость рекультивации участков, постра-
давших от сведения лесов или перевыпаса,
не требует комментариев.
Так как поверхностный сток из город-
ских районов - один из основных источни-
ков биогенов, важно внедрять оптималь-
ный способ хозяйствования и в этих
местах. Необходимо мульчировать и засе-
вать все участки голой земли, следить,
чтобы газоны не удобрялись сверх меры
и стараться заменить минеральные удоб-
рения органическими. Следует компости-
ровать отходы домашних животных или
«выгуливать» их на компостных кучах,
которые со временем будут использованы
в саду. Высаживание где только возможно
деревьев увеличит инфильтрацию влаги
и поглощение из почвы биогенов.
Программы хозяйствования на уровне
штата, вероятно, должны предусматри-
вать различные способы стимулирования
этих мероприятий. Однако в конце концов
большинство людей должны научиться
выполнять их по собственной инициативе,
а это зависит от понимания ими всей
важности проблемы. Возможно, главная
Ваша задача-способствовать такому
пониманию.
Контроль за отходами
на стройплощадках
и в горном деле
Чтобы сократить потери почвы со
стройплощадок, можно использовать
множество методов. На практике пробле-
ма усугубляется тем, что в этих местах
грунт часто остается совершенно обна-
женным и открытым для эрозии в течение
всего периода от начала до завершения
работ. Однако значительную часть терри-
тории можно закрепить травой и не дожи-
даясь «пуска объекта». Этот метод осо-
бенно легко применить при строительстве
шоссейных дорог (рис. 9-18).
Чтобы улавливать частицы, которые
неизбежно будут смыты, можно по-
строить ловушки, т. е., в сущности, пруды,
расположенные в самой низкой части
площадки, куда будет направляться по-
верхностный сток. Когда в них попадает
вода, ее скорость уменьшится, наносы
осядут, и освобожденная от них она вы-
течет через каменную плотину или напор-
ную трубу (рис. 9-19). После завершения
строительства такую ловушку легко пере-
оборудовать в резервуар для ливневой
воды. В случае мелких стройплощадок их
нижнюю часть можно огородить брике-
тами соломы, фильтрующими поверхно-
стный сток и задерживающими почвенные
9. НАНОСЫ, БИОГЕНЫ И ЭВТРОФИЗАЦИЯ
291
Рис. 9-19. Борьба со смывом земли на строй-
площадках. А. Типичная ловушка для наносов.
Поверхностный сток, несущий частицы почвы,
попадает в «пруд», размещенный у нижней
части стройплощадки. Вода отстаивается
(осадок на переднем плане) и стекает через
каменную плотину (на ней стоит человек).
Такие ловушки-временные сооружения, уби-
раемые после завершения строительства. Б, В.
Создание более крупного пруда со стоком
через напорную трубу. Такой пруд будет
действовать как ловушка для наносов во время
строительства и как постоянный резервуар для
сбора ливневой воды после его завершения
(фото автора)
частицы, или использовать пластиковые
ограждения (рис. 9-20), улавливающие
воду и направляющие ее прямо в ловушку
для наносов. Эти методы позволяют за-
держать по крайней мере песок и пыль-
глина обычно вымывается. Собранный
осадок можно вновь распределить по
стройплощадке.
Для многих строительных фирм борь-
ба с эрозией - всего лишь дополнительные
расходы, которые хотелось бы сократить
насколько это возможно. Поэтому стиму-
лировать ее необходимо путем законода-
тельных актов и юридического принужде-
ния. Согласно закону штата Мэриленд,
ю*
292
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 9-20. Пластиковые ограждения, исполь-
зуемые для борьбы со смывом земли с неболь-
ших участков (фото автора)
борьба с эрозией - неотъемлемый элемент
строительства, и предприниматели долж-
ны представлять ее проект в числе прочих
рабочих документов. Такие проекты рас-
сматриваются властями и, если нужно,
корректируются. После этого выдается
разрешение на строительство. Затем
стройплощадка периодически инспектиру-
ется, чтобы убедиться в наличии ловушек
для наносов и других антиэрозионных
приспособлений и их нормальной работе.
Законодательство по контролю за ливне-
выми водами действует аналогично и так-
же является очень важным инструментом
сокращения овражной и береговой эро-
зии. Когда поверхностный сток ливневой
воды регулируется, она направляется в
почву; сокращается и смывание в водое-
мы биогенов.
Проверка и принуждение не всегда эф-
фективны. Нередко встречаются ловушки
для наносов, не действующие из-за того,
что они неправильно установлены. В этом
случае могут оказаться полезными дейст-
вия местных жителей. «Спасите наши
реки» и «Свободная форель»-две об-
щественные организации, члены которых
регулярно инспектируют строительные
объекты в своих районах и, если находят,
что водоемам угрожает неконтролируе-
мая эрозия, сообщают об этом властям.
Если же те не способны ничего пред-
принять, сведения передаются в местную
прессу. Часто такая огласка приносит ре-
зультат, когда прочие меры не помогают.
Существует ли в Вашей местности ана-
логичное законодательство по контролю
за наносами и ливневыми водами? Если
нет, Вы можете вступить в природоохран-
ную организацию, которая добивается
принятия такого законодательства и нуж-
дается в Вашей поддержке. В таком слу-
чае Вы можете стать одним из обществен-
ных инспекторов, о которых говорилось
выше.
Что же касается бесчисленных мелких
участков вытоптанной земли, наилучшее,
9. НАНОСЫ, БИОГЕНЫ И ЭВТРОФИЗАЦИЯ
293
если не единственное, решение этой проб-
лемы-добровольное объединение усилий
нескольких людей, которые их разрыхлят
и засеят. Правительственные структуры
слишком громоздки и неповоротливы,
чтобы заниматься такими вещами. Служ-
ба охраны почв, отделения которой нахо-
дятся в каждом округе США, не распо-
лагает достаточной рабочей силой для
мелкомасштабного озеленения, но охотно
предоставит нужную консультацию, а
если повезет, то и семена или саженцы.
Охрана болот
Существует несколько федеральных и
региональных законов, ограничивающих
освоение болот. Однако давление со сто-
роны предпринимателей таково, что унич-
тожение этих биотопов продолжается. На
самом деле разговоры о «необходимости»
освоения болот часто не что иное, как
попытка поддержать устаревшую полити-
ку расточительного использования ресур-
сов и энергии ради краткосрочного по-
вышения доходов фирм, за которое при-
ходится расплачиваться ухудшением на
долгое время качества окружающей сре-
ды. Где бы ни осваивались болота, теперь
в их защиту выступают природоохранные
организации. Некоторые люди даже пы-
таются восстановить болота там, где они
были уничтожены, высаживая прежнюю
растительность. На чьей Вы стороне?
Запрещение использования
фосфатных детергентов
Когда в 1960-х гг. была признана связь
между эвтрофизацией и использованием
фосфатных детергентов, химическая про-
мышленность разработала их замените-
ли. Тем не менее по экономическим
причинам производство продолжало от-
давать им предпочтение. Чтобы изменить
это, потребовался законодательный за-
прет продажи фосфатных детергентов.
Такой «запрет на фосфаты» введен в
действие в районе Великих озер, на Лонг-
Айленде, в Мэриленде, Виргинии и не-
которых других местах. В районе Вели-
ких озер он соблюдается с середины
1970-х гг., когда началась эвтрофизация
озера Эри, и с тех пор его состояние
значительно улучшилось. Запрет на фос-
фаты в Мэриленде введен в 1985 г., после
того как было доказано, что основная
причина деградации Чесапикского зали-
ва-эвтрофизация. В результате содержа-
ние фосфатов в стоках водоочистных
сооружений сократилось на 35-40%. Ана-
логичный запрет действует в Пенсильва-
нии, обеспечивающей через реку Саску-
эханна около двух третей стока Чесапикс-
кого залива, и во многих других местах.
К сожалению, это законодательство
встречает яростное сопротивление со сто-
роны производителей детергентов, не-
смотря на доступность нефосфатных ре-
цептур. Они заявляют, что заменители не
так эффективны и не будут приняты по-
купателем. Однако я не встречал ни одно-
го, кто заметил бы перемены в цене или
качестве детергентов после запрещения
фосфатов в Мэриленде.
Вы можете вступить в организацию,
пропагандирующую запрет фосфатных
детергентов в вашем районе, и поддер-
жать ее усилия. В любом случае читайте
«мелкие» надписи на упаковках со сти-
ральными порошками и выбирайте те,
которые не содержат фосфатов.
Усиление очистки
канализационных стоков
За последние два десятилетия водо-
очистные сооружения значительно усовер-
шенствованы. Тем не менее до сих пор
большинство их не извлекает из стоков
биогены. Необходимость более полной
очистки канализационных вод, включаю-
щей такое извлечение, очевидна. Этой
теме посвящена гл. 10.
Пример
Эвтрофизация озера Эри
Озеро Эри, самое мелкое по площади
и глубине из Великих озер, протянулось
на 240 миль от Толедо (Огайо) до Буф-
фало (Нью-Йорк). Река Детройт, на кото-
рой расположен одноименный промыш-
294
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Зона отдыха на озере Эри была на большом
протяжении закрыта в связи с эвтрофизацией
воды, но программа по сокращению сбросов
биогенов помогла исправить ситуацию (Mark
Reinstein/TSW-Click/Chicago, Ltd.)
ленный центр (шт. Мичиган), связывает
озеро с его основным источником воды-
озером Гурон. В озеро Эри впадают и
другие реки со стоящими на них инду-
стриальными городами (Толедо, Клив-
ленд, Эри, Буффало и т.д.) и окружаю-
щими сельскохозяйственными угодьями.
Как и любая другая экосистема, озеро
Эри изменялось и изменяется в ходе
естественной сукцессии. В водных экосис-
темах ее часто называют просто эвтро-
физацией. Пресные водоемы исходно
олиготрофные, т. е. бедные биогенами,
малопродуктивные и свободные от детри-
та. Сукцессия превращает их в высоко-
продуктивные эвтрофные экосистемы, бо-
гатые биогенами и детритом.
Самые ранние из известных докумен-
тов свидетельствуют, что озеро Эри было
олиготрофным, с низкой первичной про-
дуктивностью и изобилием кислорода в
глубинных водах. Вокруг него находились
широкие болотистые пространства, а
многочисленные бухты представляли со-
бой прекрасные нерестилища для рыб. Все
это изменилось под воздействием не
естественной, а антропогенной эвтрофиза-
ции, т. е. сукцессии, ускоренной челове-
ческой деятельностью. На озере Эри она
началась около 1910 г.
Именно в это время территория его
водосборного бассейна стала интенсивно
заселяться. Вместе с людьми появились
как биологические, так и промышлен-
ные отходы и соответственно усилилось
поступление в воду биогенов, особенно
фосфатов. В результате обогащения ими
среды бурно разрослись популяции фито-
планктона, особенно такой «неприятной»
водоросли, как Cladophora, которая обра-
зует скопления до пятидесяти футов в
ширину и до двух в толщину. Это привело
к увеличению количества детрита, при-
ведшему в свою очередь к значительному
сокращению содержания кислорода в глу-
бинных водах. Интенсивное размножение
колиформных бактерий стало причиной
закрытия большинства замечательных
пляжей. Черви-трубочники, малощетин-
ковые кольчецы, устойчивые к низкому
содержанию кислорода, стали доминиро-
вать в фауне, оттеснив на задний план
личинок поденок. Сиги, судак и окунь,
9. НАНОСЫ, БИОГЕНЫ И ЭВТРОФИЗАЦИЯ 295
составляющие основу промышленного
рыболовства на озере, резко сократили
численность и были замещены такими
менее ценными видами, как карп, желтый
окунь, кошачий сом и чукучан.
Естественная эвтрофизация могла бы
продолжаться тысячи лет, человеку по-
требовалось всего пятьдесят. Обратимо
ли это? Нет, но процесс можно замедлить,
что и было сделано. Начиная примерно
с 1970 г. были введены правительственные
ограничения на содержание в городских
стоках биогенов и детергентов (основного
источника фосфатов). Это позволило
улучшить состояние береговой линии и
рыбного хозяйства. Были предприняты
и другие меры. В настоящее время лишь
немногие пляжи закрыты для отдыхаю-
щих, возрождается рыболовство. Однако
при существующей скорости оттока воды
из озера для удаления 90% отходов
может потребоваться двадцать лет. В
таких крупных озерах, как Верхнее и
Мичиган, это заняло бы сотни лет.
Озеро Эри-классический пример
антропогенной эвтрофизации, но, к сожа-
лению, не единственный. Такая история
повторялась много раз в разных частях
света - печальное свидетельство необду-
манности человеческих действий. Но ра-
зумное использование природных ресур-
сов позволит нам оставить будущим
поколениям неоценимое наследство.
Эдуард Дж. Кормонди
Университет Гавайи-Хило
10
Загрязнение воды
канализационными стоками
Раздел
I. ОПАСНОСТЬ НЕОЧИЩЕННЫХ СТОЧ-
НЫХ ВОД..........................297
А. Угроза инфекционных заболеваний 297
Б. Снижение содержания растворенного кис-
лорода .......................299
В. Эвтрофизация...............299
II. СБОР И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД 299
А. История вопроса...........299
Б. Стандартная очистка сточных вод 301
1. Первичные стоки...........301
2. Этапы очистки.............301
а. Предочистка.............301
б. Первичная очистка . . . .301
в. Вторичная очистка .... 305
г. Доочистка................307
д. Дезинфекция.............307
3. Обработка ила..............309
а. Анаэробное сбраживание . . 309
б. Компостирование’........311
В. Альтернативные системы . . . .313
1. Использование богатой биогенами во-
ды для орошения..............313
2. Индивидуальные системы очистки 316
Пример. Система очистки сточных вод на полях
орошения.............................321
III. ПОДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ; ЧТО ВЫ МО-
ЖЕТЕ СДЕЛАТЬ.....................318
Учебные вопросы
1. Перечислите опасности, которые возника-
ют в результате сброса неочищенных ка-
нализационных стоков в водоемы.
2. Объясните, почему неочищенные канали-
зационные стоки создают опасность ин-
фекционных заболеваний.
3. Объясните, как сброс неочищенных сточ-
ных вод может приводить к снижению
содержания растворенного кислорода.
4. Объясните, почему неочищенные сточные
воды могут стать причиной эвтрофиза-
ции.
5. Опишите, как поступали со сточными во-
дами до 1800 г.; какие проблемы возника-
ли в связи с этим; важные открытия
середины XIX в.; принятые меры. Почему
в старых городах канализационная сеть
и ливнестоки связаны между собой?
6. Перечислите и опишите этапы стандарт-
ной очистки сточных вод.
7. Опишите, что содержится в неочищенных
канализационных стоках.
8. Опишите очистные сооружения; как они
работают; что устраняется из стоков на
каждом этапе?
9. Какие проблемы возникают в связи с
применением хлора для дезинфекции?
Каковы альтернативные решения?
10. Что такое ил при очистке? Откуда он
поступает? Опишите два способа его пере-
работки; какие полезные продукты можно
получать в том или ином случае?
11. Опишите устройство альтернативных сис-
тем использования сточных вод.
10. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ КАНАЛИЗАЦИОННЫМИ СТОКАМИ
297
А. Прогресс и его отсутствие . . . .318
Б. Препятствия на пути прогресса . .319
12. Опишите, как усовершенствовалась обра-
ботка канализационных стоков; в каких
областях успехов пока мало?
13. Опишите, какие препятствия возникают
на пути к хозяйственному применению
канализационных отходов.
1. Загрязнение промышленными отхо-
дами .........................319
2. Равнодушие общественности . .319
В. Что Вы можете сделать.........319
Г. Мониторинг загрязнения сточными во-
дами ............................320
14. Опишите, что Вы можете сделать для
улучшения обработки сточных вод в
Вашей местности.
15. Как проверяют воду на загрязнение не-
очищенными сточными водами?
Природные экосистемы устойчивы,
поскольку рециклизуют биогены, высво-
бождающиеся из растительных остатков
и отходов жизнедеятельности животных.
Люди, напротив, создали однонаправлен-
ный поток биогенов: из земли с урожаем,
а затем в озера и эстуарии, так как отходы
сбрасываются в водотоки. Уже говори-
лось (гл. 9) о неустойчивости такой систе-
мы, ведущей к неприемлемой эвтрофиза-
ции водоемов. Очевидно, следует исхо-
дить из экологических принципов и рецик-
лизировать отходы. Однако создание
однонаправленного потока биогенов име-
ло свои причины. Рециклизация челове-
ческих отходов сопряжена с опасностью
«круговорота» и распространения много-
численных болезнетворных бактерий, ви-
русов и других паразитов. В этой главе
мы рассмотрим современные способы
очистки канализационных стоков и воз-
можности обеспечить в результате этого
круговорот биогенов без угрозы для здо-
ровья людей.
Опасность неочищенных
сточных вод
Угроза инфекционных
заболеваний
Неочищенные канализационные сто-
ки-один из главных источников угрозы
для здоровья человека, так как люди (и
другие животные) бывают заражены пато-
генами (болезнетворными бактериями,
вирусами и другими паразитами). Зара-
женные люди или животные могут вы-
делять с экскрементами огромное коли-
чество таких патогенов или их яиц. Иног-
да человек служит переносчиком инфек-
ции, даже не ощущая симптомов забо-
левания. Если зараженные канализацион-
ные стоки попадут в питьевую воду, на
источники пищи или в места для купания,
паразиты могут инфицировать многих
людей. В некоторых случаях инфекция
передается через пищевые цепи. Напри-
мер, устрицы, могут заглатывать парази-
тов, которые передаются человеку, когда
он ест устриц. Поэтому устричные «бан-
ки», загрязненные канализационными
стоками, для лова закрыты. Кроме того,
некоторые виды пищевых продуктов ре-
комендуется всегда подвергать термичес-
кой обработке.
В большинстве случаев патогенные
организмы выживают вне хозяина не
более нескольких дней, а их число, попав-
шее в его тело, определяет вероятность
развития инфекции. Следовательно, когда
плотность населения низка, перенос пато-
генов происходит относительно редко,
так как уровень их распространения не-
велик и проходит довольно много вре-
мени между выделением их во внешнюю
среду одним хозяином и встречей с дру-
гим. Однако, чем выше плотность населе-
ния, тем вероятнее заражение. Живя и
работая в густозаселенных городах, люди
становятся чрезвычайно уязвимыми для
патогенных организмов.
Прежде чем в середине XIX в. была
298
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
установлена связь между заболеваниями
и наличием в отбросах патогенов, в горо-
дах часто случались опустошительные
эпидемии. Например, до начала XX в.
в США были нередки эпидемии брюш-
ного тифа, уносившие жизни тысяч лю-
дей. В настоящее время в большинстве
стран приняты санитарно-гигиенические
Поступление
органических отходов,
на разложение которых
тревуется кислород
Расстояние от места свроса канализационных стоков
А
Б
10. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ КАНАЛИЗАЦИОННЫМИ СТОКАМИ
299
правила, которые предотвращают такой
«круговорот» патогенов, в том числе: (1)
дезинфекция запасов воды для населения
хлорированием или другими методами;
(2) личная санитария и гигиена, особенно
во время приготовления и раздачи пищи;
(3) сбор и очистка канализационных сто-
ков. Многие связывают снижение заболе-
ваемости с успехами современной меди-
цины, но благодарить прежде всего стоит
санитарно-гигиенические правила, часто
воспринимаемые как что-то само собой
разумеющееся.
Снижение содержания
растворенного кислорода
Сброс неочищенных канализационных
стоков в водоемы не только чреват опас-
ностью инфекционных заболеваний, но
и может стать причиной снижения содер-
жания растворенного в воде кислорода
и деградации водных экосистем. Меха-
низм этого описан в гл. 9. Органическое
вещество, присутствующее в стоках, охот-
но поедается редуцентами и детритофа-
гами, которые поглощают кислород в
процессе дыхания. Когда детрита избы-
ток, эти организмы потребляют раство-
ренный кислород быстрее, чем он попол-
няет систему, и его запасы истощаются
(рис. 10-1). Концентрацию органики в
канализационных стоках часто выражают
биологической потребностью в кислороде
(БПК), т. е. количеством кислорода, кото-
Рис. 10-1. А. Неочищенные канализационные
стоки сбрасываются в ручей. Б. Растворенный
кислород (РК) и биологическая потребность
в кислороде (БПК). Рыбам и другим водным
организмам для дыхания необходим раство-
ренный кислород. Поступление органического
вещества повышает биологическую потреб-
ность в кислороде, так как бактерии (реду-
центы), которые питаются этим веществом,
также потребляют кислород. Таким образом,
сброс органических отходов в водоемы может
привести к гибели рыб из-за недостатка
растворенного кислорода. После полного
разложения органических отходов его уровень
постепенно восстановится за счет медленного
растворения атмосферного кислорода в воде
(Л: James Jackson/Photo Researchers)
рое потребуется редуцентам, чтобы раз-
ложить поступившее вещество.
Истощение запасов растворенного
кислорода не наносит вреда самим бакте-
риям-редуцентам, так как они способны
к анаэробному дыханию и брожению.
Анаэробные (лишенные кислорода) водо-
емы не только не могут поддерживать
жизнь рыб, моллюсков и ракообразных,
но и дурно пахнут, так как у многих
продуктов бескислородного метаболизма
весьма неприятный запах. Этим же обус-
ловлен столь характерный запах канали-
зационных стоков.
Кроме того, истощение запасов раст-
воренного кислорода может увеличить
опасность микробного заражения. Мно-
гие патогенные огранизмы гораздо доль-
ше живут в анаэробных условиях. В среде,
богатой кислородом, они быстро погиба-
ют или съедаются другими организмами.
Эвтрофизация
Наконец, даже если устранить из сто-
ков патогенные микроорганизмы и орга-
ническое вещество, использованная вода
с растворенными в ней биогенами все
равно может нарушить экологическое
равновесие за счет эвтрофизации, как
показано в гл. 9.
Сбор и очистка сточных вод
Очевидно, что современные системы
обработки сточных вод должны учиты-
вать три приведенных выше обстоятель-
ства: наличие в стоках патогенов, БПК
и биогенов. Сначала обратимся к истории
этого вопроса, чтобы оценить прогресс
и понять, как много еще предстоит сде-
лать.
История вопроса
Вплоть до конца XIX в. самым обыч-
ным способом избавляться от человечес-
ких экскрементов было сооружение туале-
та вне дома (рис. 10-2). Стоки оттуда
нередко попадали в питьевую воду и
вызывали заболевания, особенно в горо-
дах, где туалеты и колодцы находились
300
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 10-2. В начале нашего века были широко
распространены клозеты за пределами домов,
все еще используемые во многих сельских
районах. Эта фотография также показывает,
что стекание отходов в ручьи рассматривалось
как приемлемый способ их удаления (фото
Службы охраны почв, Сельскохозяйственный
департамент США)
недалеко друг от друга. В середине XIX в.
открытия Луи Пастера и других ученых,
доказавших, что многие инфекционные
заболевания вызываются бактериями,
присутствующими в канализационных
стоках, стимулировали создание в горо-
дах эффективных канализационных сис-
тем. Во многих городах уже существовали
системы отвода ливневых вод, но спус-
кать в них человеческие отходы было
запрещено. Однако ввиду остроты ситуа-
ции такое решение быстро отменили.
Появились туалеты со смывом, вода из
которых направлялась в ливнестоки.
Таким образом, западные страны стали
инициаторами сброса канализационных
отходов прямо в естественные водоемы.
К концу 1870-х гг. многие водоемы
были настолько засорены дохлой рыбой
и так неприятно пахли из-за обеднения
кислородом, что представляли собой
серьезную угрозу для здоровья людей.
Необходимые меры стали очевидными:
1) создание приспособлений для очи-
стки сточных вод;
2) разделение ливневых и канализа-
ционных стоков, так как очищать их сум-
марный объем нерационально.
Инженеры разработали способы очи-
стки от загрязнителей смеси дождевой
и канализационной воды, и к началу
нашего столетия в США в основных
местах ее сброса были построены первые
водоочистные сооружения. Постепенно
появились правила, требующие создания
раздельных систем: ливнестоков для сбо-
ра и отведения в ручьи дождевой воды,
и санитарной канализации, принимающей
воду из расположенных в зданиях рако-
вин, ванн и туалетов и направляющих ее
на водоочистные сооружения. Успехи в
этом направлении крайне неравномерны,
и постоянно растущее население осложня-
ет проблему. Хотя в некоторых областях
удалось достичь большого прогресса, до
10. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ КАНАЛИЗАЦИОННЫМИ СТОКАМИ
301
сих пор не редки случаи попадания не-
очищенных канализационных стоков в
естественные водоемы вместе с дождевы-
ми водами. Другими словами, и спустя
сто лет мы все еще не регулируем, а
«ловим» их. Однако, прежде чем обра-
титься к существующим проблемам,
давайте рассмотрим современную техно-
логию очистки канализационных стоков.
Стандартная очистка
сгонных вод
Первичные стоки
Санитарная канализационная система
объединяет все сточные трубы от рас-
положенных в зданиях раковин, ванн и
туалетов, как ствол дерева объединяет все
его ветви. Из основания этого «ствола»
вытекает смесь всего, что попало в систе-
му,-исходные стоки, или исходные сточ-
ные воды. Так как мы используем огром-
ный объем воды для удаления мизерных
количеств отходов или просто льем ее без
особой нужды, в первичных стоках на
каждую часть отходов приходится при-
мерно 1000 частей воды, т. е. в них 99,9%
воды и 0,1% отходов. С добавлением
ливневых вод разбавление еще более
увеличивается. Но отходы или загрязни-
тели первичных стоков имеют огромное
значение. Их подразделяют на три катего-
рии.
- Мусор и песок. Мусор-это тряпки,
пластиковые пакеты и прочие предметы,
попадающие в систему из туалетов или
через ливнестоки, если те еще не отделе-
ны. К песку условно относят и гравий; их
приносят в основном ливнестоки.
- Органическое вещество, или коллои-
ды. Это как живые организмы,-патогены
и непатогенные бактерии-редуценты-так
и неживая органика экскрементов, пище-
вых отходов и волокон тканей и бумаги.
Термин коллоиды означает, что этот мате-
риал не оседает, а обычно остается взве-
шенным в воде.
- Растворенные вещества. Это в основ-
ном биогены, такие как соединения азота,
фосфора и калия из продуктов жизнедея-
тельности, обогащенные фосфатами из
детергентов.
Этапы очистки
Чтобы очистка была полной, водо-
очистные сооружения должны устранить
все названные категории загрязнителей.
Мусор и песок удаляются на этапе пред-
очистки. Сочетание первичной и вторич-
ной очистки позволяет избавиться от кол-
лоидного материала. Растворенные био-
гены устраняются при помощи доочистки.
Имейте в виду, что обработка стоков
в каждом конкретном случае не обяза-
тельно включает все четыре этапа. Чаще
всего они дополняют друг друга в зависи-
мости от обстоятельств. Следовательно,
в некоторых местах в водоемы все еще
сбрасывают просто исходные стоки, в
других - осуществляют только первичную
их очистку, кое-где проводят вторичную,
и лишь относительно немного городов
осуществляет доочистку стоков.
Предочистка. Мусор и песок засоряют
систему и тормозят дальнейшую очистку
стоков. Поэтому их устранение считается
ее предварительным этапом. От мусора
избавляются, пропуская исходные стоки
через стержневую решетку, т. е. ряд стерж-
ней, расположенных на расстоянии около
2,5 см друг от друга (рис. 10-3). Затем
мусор механически собирают с решетки
и отправляют в специальную печь для
сжигания. Очищенная от мусора вода
попадает в песколовку, или пескоотстой-
ник,- емкость, напоминающую плаватель-
ный бассейн, где движение воды замедля-
ется настолько, что песок оседает (рис.
10-4); затем он механически извлекается
оттуда и вывозится на свалку.
Первичная очистка. После предочистки
вода проходит первичную Очистку-мед-
ленно пропускается через крупные баки,
называемые первичными отстойниками
(рис. 10-5). Здесь она в течение нескольких
часов остается почти неподвижной. Это
позволяет самым тяжелым частицам
органического вещества, составляющим
от 30 до 50% его общего количества,
осесть на дно, откуда их собирают. В то
же самое время жирные и маслянистые
302
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 10-3. Стержневая решетка. Первая сту-
пень предочистки-прохождение сточных вод
через такой фильтр, задерживающий крупный
мусор, который затем механически сгребают
(фото Пригородной санитарной комиссии
Вашингтона)
Рис. 10-4. Второй этап предочистки-песко-
ловка. Скорость течения в этих резервуарах
замедлена до 1 -2 футов в секунду, что
позволяет песку и другим грубым частицам
осесть на дно, пока вода перетекает через край
(на переднем плане). Осадок механически
собирают со дна (фото Tommy Noonan,
Вашингтон)
10. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ КАНАЛИЗАЦИОННЫМИ СТОКАМИ
303
Рис. 10-5. Для первичной очистки используют
такие первичные отстойники. А. Вода посту-
пает в них в центре и вытекает через проволоч-
ный барьер по краям. Медленное течение (1-2
дюйма в минуту) позволяет осесть 30-50%
органических коллоидов и всплыть маслянис-
тым продуктам. Осевшую органику-ил-сы-
рец-откачивают со дна, а жиры и масла
одновременно снимают с поверхности. Б.
Отстойник в разрезе (фото Tommy Noonan,
Вашингтон; Б\ с любезного разрешения Walker
Process Division of С. В. I.)
вещества всплывают к поверхности, и их
снимают, как сливки. Весь этот материал
называется ил-сырец. Ниже мы коротко
расскажем, как с ним поступают в даль-
нейшем.
Обратите внимание, что при первич-
ной очистке всего-навсего «заливают
грязную воду в сосуд, дают отстояться
и сливают». Тем не менее это позволяет
устранить значительную часть органичес-
кого вещества при минимальных затра-
тах. Вода, покидающая первичные от-
стойники, все еще содержит от 50 до 70%
неосевших органических коллоидов и
почти все растворенные биогены. Вторич-
ная очистка предусматривает устранение
оставшегося органического вещества, но
не растворенных питательных элементов.
304
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 10-6. Капельные биофильтры, вторичная
очистка. А. Вода из первичных отстойников
разбрызгивается на слой из камней толщиной
6-8 футов. Б. Различные бактерии и другие
прикрепленные к камням детритофаги питают-
ся органическим веществом из протекающей
мимо них воды, которую собирают в нижней
части фильтров (фото автора)
Б
Рис. 10-7. А. Некоторые организмы, участ-
вующие во вторичной очистке. Б. Эти организ-
мы образуют пирамиду биомассы детритофа-
гов. Содержание органического вещества
в стоках в результате прохождения через такую
пирамиду сокращается на 90%
Б
10. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ КАНАЛИЗАЦИОННЫМИ СТОКАМИ
305
Рис. 10-8. Очистка активным илом проводится
в аэрационном бассейне. Двигаясь через него,
сточные воды из первичного отстойника
интенсивно насыщаются воздухом, поступаю-
щим по проложенным на дне трубам (фото
автора)
Вторичная очистка. Эту очистку назы-
вают также биологической, так как в ней
участвуют живые естественные редуценты
и детритофаги, потребляющие органичес-
кое вещество и в процессе дыхания пре-
вращающие его в воду и углекислый газ.
Обычно применяются два типа систем:
капельные биофильтры и активный ил.
В системах с капельными биофильтра-
ми вода разбрызгивается и стекает струй-
ками по слою камней величиной с кулак
(рис. 10-6), толщина которого 2-3 м. Как
и в естественных ручьях, в этих условиях
функционирует сложная экосистема,
включающая бактерии, простейших,
коловраток, различных мелких червей и
других прикрепленных к камням детрито-
фагов (рис. 10-7). Они буквально выедают
из протекающей воды все органическое
вещество, включая патогенов. Организ-
мы, случайно смытые с биофильтров,
позднее устраняются из воды, когда она
попадает во вторичные отстойники - ем-
кости, аналогичные первичным отстойни-
кам. С отстоявшимся в них материалом
поступают, как и с илом-сырцом. Пройдя
первичную очистку и капельные био-
фильтры, сточные воды теряют 85-90%
органического вещества.
Все более широкое распространение
получает еще один метод вторичной
очистки-система активного ила. В этом
случае вода после первичной очистки по-
ступает в резервуар, где могли бы раз-
меститься несколько припаркованных
друг за другом трейлеров (рис. 10-8).
Смесь детритофагов, называемая актив-
ным илом, добавляется в воду, когда та
поступает в резервуар. По мере ее движе-
ния по нему она интенсивно аэрируется,
т. е. создается богатая кислородом среда,
идеальная для развития этих организмов
(рис. 10-9). В ходе их питания количество
органического вещества, включая пато-
генные микроорганизмы, уменьшается.
Покидая аэрационный резервуар, вода
содержит множество детритофагов, по-
этому ее направляют во вторичные от-
стойники. Так как организмы обычно
собираются на кусочках детрита, осадить
их относительно несложно; осадок пред-
306
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 10-9. Очистка активным илом. А. В бога-
той кислородом среде аэрационного бассейна
микроорганизмы (активный ил) питаются
органическим веществом, а затем оседают во
вторичном отстойнике. После этого их возвра-
щают в аэрационный бассейн, а отстоявшуюся
воду спускают. 2>. Аэрационный бассейн в дей-
ствии. Через трубу на переднем плане в него
возвращается активный ил (фото автора)
ставляет собой тот же самый активный
ил, который снова закачивают в аэрацион-
ный резервуар (рис. 10-9, Б). Таким обра-
зом, детритофаги рециклизуются, а вода
очищается от органического вещества на
90-95%. Излишки активного ила, накап-
ливающиеся в процессе размножения
организмов, обычно объединяют с илом-
сырцом и в дальнейшем обрабатывают их
вместе.
При строительстве новых водоочист-
ных сооружений или при усовершенство-
вании старых часто отдают предпочтение
системам с активным илом просто по-
тому, что они более компактны. Это
важное обстоятельство, так как простран-
ство для обработки стоков ограничено.
Однако у таких систем есть существенный
10. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ КАНАЛИЗАЦИОННЫМИ СТОКАМИ
307
недостаток - огромные затраты энергии
на аэрацию. Биофильтры обычно рабо-
тают за счет гравитации и, если и требуют
дополнительной энергии, то очень не-
много.
Обратите внимание, что системы вто-
ричной очистки не устраняют растворен-
ных биогенов - основной причины эвтро-
физации.
До двух последних десятилетий не
ощущалось острой необходимости осу-
ществлять дополнительную очистку воды
уже после вторичной. Воду после нее про-
сто дезинфицировали хлоркой и сбрасы-
вали в естественные водоемы. Такая
ситуация преобладает и поныне. Однако
по мере обострения проблемы эвтрофиза-
ции все больше городов вводят еще один
этап-дяячг/сгаку, устраняющую биогены.
Доочистка. После вторичной очистки
вода поступает на доочистку, устраняю-
щую один или более биогенов. Для этого
существует множество методов. Воду
можно очистить на 100% дистилляцией
или микрофильтрованием. Однако это
требует больших затрат. Суммарный
объем стоков-около 150 галлонов в день
на человека. Очистка такого количества
воды названными методами слишком
расточительна, поэтому в настоящее вре-
мя разрабатываются и внедряются более
доступные ее способы. Например, фос-
фаты можно устранить, добавив в воду
известь (ионы кальция). Кальций вступает
в химическую реакцию с фосфатом, обра-
зуя при этом нерастворимый фосфат
кальция, который можно удалить фильт-
рованием. Если избыток фосфата - основ-
ная причина эвтрофизации, этого уже
достаточно.
С тех пор как в Вашингтоне несколько
лет назад начали применять доочистку,
воды реки Потомак стали значительно
прозрачнее. Водная растительность вос-
становилась, сюда вернулись водопла-
вающие птицы. Если и другие города
последуют этому примеру, будем на-
деяться на возрождение Чесапикского
залива в целом.
При соответствующей доочистке мож-
но добиться того, что в конечном итоге
получится вода, пригодная для питья. На-
править ли ее вновь в муниципальную
сеть, зависит от ответа на вопрос: оправ-
дывает ли ее ценность затраты на перека-
чивание в «исходную точку»? Если проб-
лема нехватки воды обострится (гл. 8), то,
вероятнее всего, ответ все чаще будет
положительным.
Многие люди бледнеют при мысли
о вторичном использовании канализа-
ционных стоков, но стоит вспомнить о
том, что в природе в любом случае вся
вода совершает круговорот. Фактически
соответствующая доочистка может обес-
печить воду гораздо лучшего качества,
чем получаемая из рек и озер, принимаю-
щих, как это нередко случается, неочи-
щенные канализационные стоки. На рис.
10-10 изображена общая схема описанных
этапов очистки.
Дезинфекция. Какой бы тщательной
очистке не подвергались сточные воды,
обычно их все равно дезинфицируют хло-
рированием перед сбросом в естественные
водоемы, чтобы уничтожить все патоген-
ные организмы, которые могли выжить
(рис. 10-11). Использование для этого
газообразного хлора (С12) влечет за собой
определенные экологические проблемы,
требующие обсуждения. Хлор использу-
ют из-за его эффективного действия и от-
носительной дешевизны. Однако он очень
ядовит, и его транспортировка небезопас-
на для людей. Кроме того, хлор еще более
токсичен для некоторых рыб. Оказалось,
что даже не улавливаемое измерительны-
ми приборами его содержание оказывает
пагубное влияние на их икру и развитие
эмбрионов. Наконец, некоторые количе-
ства хлора самопроизвольно вступают в
реакции с органическими веществами с
образованием хлорированных углеводо-
родов, т. е. органических молекул, вклю-
чающих в себя атомы хлора. Многие из
этих соединений токсичны и биологически
не разлагаются, а некоторые даже способ-
ны вызывать рак, нарушения внутри-
утробного развития и поражать систему
размножения (гл. 11).
Существуют более безопасные дезин-
фицирующие средства, например озон
(О3). Он чрезвычайно губителен для
микроорганизмов и, воздействуя на них,
308
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
ПРЕДОЧИСТКА
Стержневая
решетка
Песколовка
ПЕРВИЧНАЯ ОЧИСТКА
Вода поступает в центре и
вытекает через Барьер у края-
Очень медленное движение.
30-50% органических частиц
оседает на дно. Осадок пред-
ставляет совой ил-сырец.
^-►Удаление ила-сырца
ВТОРИЧНАЯ (биологическая) очистка
Овравотка активным илом
Аэрационный Бассейн Вторичный отстойник
Организмы питаются органи-
кой в богатой кислород, среде
Аэрационные труры
Возврат активного ила
(детритофагов)
ДООЧИСТКА
Удаление азота и фосфора
Дезинфекция
и сброс очищен-
ной воды
Рис. 10-10. Общая схема обработки сточных
вод вплоть до этапа вторичной очистки. После
нее может проводиться доочистка
10. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ КАНАЛИЗАЦИОННЫМИ СТОКАМИ
309
Рис. 10-11. Баллоны с газообразным хлором,
используемым при дезинфекции стоков. Что
это: очистка или добавление в воду одного из
самых ядовитых веществ? (фото автора)
распадается на газообразный кислород,
что улучшает качество воды. Однако озон
не только токсичен, но и взрывоопасен.
Следовательно, его нужно производить
прямо там, где он применяется, а это
требует значительных капиталовложений
и энергозатрат. Однако при использова-
нии усовершенствованной технологии за-
траты могут быть примерно такими же,
что и при хлорировании, а безопасность
операций повысится. Предлагается также
воздействовать на воду ультрафиолето-
вым или другим излучением, убивающим
микроорганизмы, но не оказывающим ни-
какого побочного влияния. Кроме того,
после хлорирования можно добавлять в
воду другие вещества, например диоксид
серы, которые, реагируя с хлором, обра-
зуют безвредные неактивные соединения.
Обработка ила
Итак, от 30 до 50% присутствующего
в канализационных стоках органического
вещества входит в ил-сырец, оседающий
в первичных отстойниках (при первичной
очистке). Откачанный с их дна, он пред-
ставляет собой густую, черную, зловон-
ную жижу, состоящую примерно на 98%
из воды и на 2% из органики, включаю-
щей множество патогенных организмов.
Без очистки этот материал может пред-
ставлять собой серьезный источник ин-
фекции. Однако после соответствующей
обработки из него можно получить бога-
тый биогенами гумус и использовать его
как органическое удобрение. В природе
детрит разлагается и превращается в
гумус в процессе жизнедеятельности поч-
венных организмов. Аналогичным обра-
зом обработка ила основана на питании
им бактерий и других детритофагов либо
в присутствии воздуха (компостирование),
либо в его отсутствие (анаэробное сбражи-
вание). В этот процесс может быть во-
влечен и избыток ила после вторичной
очистки и доочистки.
Анаэробное сбраживание. Ил-сырец по-
мещают в крупные герметичные баки,
перегниватели, или септики (рис. 10-12).
Бактерии, составляющие его естествен-
ный компонент, питаются органическим
веществом, но в отсутствие воздуха пере-
ходят на анаэробное дыхание. В результате
его образуется важный побочный про-
дукт -биогаз. Он содержит углекислый газ
и вещества, придающие стокам их дурной
запах, но на две трети состоит из метана.
Природный газ, широко применяемый
для отопления и приготовления пищи,
представляет собой почти чистый метан.
Из-за высокого содержания этого ком-
310
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 10-12. Переработка ила-сырца в процессе
анаэробного сбраживания. Ил-сырец из первич-
ных отстойников (первичная очистка) поме-
щают на 6-8 недель в герметичный бак.
В отсутствие кислорода бактерии питаются
илом (анаэробное сбраживание), в качестве
побочного продукта вырабатывая биогаз
(около 60% метана). Остаток-устойчивое
гумусоподобное вещество (обработанный ил)
(ЕРА)
Рис. 10-13. Использование обработанного ила.
После анаэробного сбраживания остается
жидкость, богатая гумусом и биогенами,
которая является прекрасным почвоулучшаю-
щим агентом. Машина, изображенная на
снимке, специально разработана для внесения
ила в почву (с любезного разрешения Ag-Chem
Eguipment Со. Inc., Миннеаполис, Миннесота)
10. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ КАНАЛИЗАЦИОННЫМИ СТОКАМИ
311
Рис. 10-14. Фильтрование обработанного ила.
А. Вакуум внутри вращающихся барабанов
отсасывает из него воду, когда он наносится на
покрывающую их фильтровальную ткань
(фото Tommy Noonan, Вашингтон). Б. В ре-
зультате получается почти твердый гумусопо-
добный материал (кек). Это также ценный
почвоулучшающий агент, но, к сожалению,
большую его часть сжигают или вывозят на
свалки (фото автора)
понента биогаз легко воспламеним и мо-
жет быть использован как топливо. На
практике его обычно сжигают для нагре-
вания самих перегнивателей, поддерживая
в них оптимальную для организмов тем-
пературу около 38 °C.
Сбраживание обычно завершается
через четыре-шесть недель, и в септиках
остается обработанный ил. Это все еще
жидкость, окрашенная в черный цвет
органическими примесями, которые
теперь относительно стабильны и не име-
ют запаха. Кроме того, патогены либо
исчезли вовсе, либо их численность резко
сократилась, и они больше не представля-
ют собой опасности. По существу, это
богатый биогенами водный раствор гу-
муса.
Обработанным илом можно удобрять
сельскохозяйственные поля и газоны пря-
мо в жидком виде, в каком он поступает
из перегнивателей. При этом полезны как
гумус, так и богатая биогенами вода
(рис. 10-13). С 1979 г. Столичный канали-
зационный отдел города Мадисон (штат
Висконсин) рециклизовал более 100000 т
(сухого вещества) ила из муниципальных
стоков на полях площадью 27 000 акров,
что дало экономию на удобрениях свыше
1,2 млн. долларов. Кроме того, обрабо-
танный ил можно отфильтровать (рис.
10-14) и получить полутвердый гумусовый
кек (рис. 10-14,2>). Его легко хранить, рас-
пределять и доставлять на поля, так как
для этого не требуется специального
оборудования. Однако, поскольку основ-
ная часть биогенов ила находится в раст-
воренном состоянии, они остаются в от-
фильтрованной воде, сбрасываемой в во-
доемы. Одновременно падает питатель-
ная ценность кека.
Компостирование. Для компостирова-
ния ил-сырец отфильтровывают, смеши-
вают с древесной стружкой или другим
материалом для улучшения аэрации и
складывают в кучи или компостные ряды
(рис. 10-15,Л). Иногда их аэрацию повы-
шают, дополнительно подавая воздух,
как показано на рис. 10-15,2>, или
частым механизированным ворошением
(рис. 10-16). В компостных кучах бактерии
и другие редуценты и детритофаги пере-
рабатывают органическое вещество в
питательную гумусоподобную массу. Па-
тогенные организмы не выдерживают
312
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Фильтрующая
куча накрытого
компоста
Вытяжной
вентилятор
Перфорированная
труба
Водная ловушка
для конденсатов
Накрытый
компост
Ил и древесная
стружка
Б
Рис. 10-15. Очистка ила-сырца компостирова-
нием. А. Его смешивают с древесными опилка-
ми, которые впитывают избыток воды. Смесь
складывают в кучи, через которые пропускает-
ся воздух. Б. Схема компостной кучи, изобра-
женной на фотографии А. В аэрируемых кучах
бактерии преобразуют ил в богатое биогенами
гумусоподобное вещество, которое можно
использовать для улучшения почвы. Тепла,
выделяемого при аэробном дыхании бактерий,
достаточно для уничтожения патогенных
организмов (Сельскохозяйственный департа-
мент США, фото Robert С. Bjork)
конкуренции, а тепла, выделяемого при
дыхании, оказывается достаточно для их
гибели. Если компостные кучи хорошо
аэрировать, при дыхании будут выделять-
ся только углекислый газ и вода. Не-
приятные запахи веществ, образующихся
при анаэробном сбраживании, в этом
случае отсутствуют. После шести или
восьми недель компостирования от дре-
весной стружки отделяют гумус, готовый
для применения на полях. Стружку можно
использовать вторично. Все большую
популярность приобретает совместное
компостирование канализационного ила
10. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ КАНАЛИЗАЦИОННЫМИ СТОКАМИ
313
Рис. 10-16. При компостировании, т. е. преоб-
разовании канализационного ила и других
органических отходов в гумусоподобное ве-
щество, можно использовать технику. Изобра-
женная машина движется по компостным
рядам, и вращающийся барабан со штырями
(между колесами) ворошит кучу, улучшая ее
аэрацию (с любезного разрешения Eagle
Crusher Company, Inc., Галион, Огайо)
и бумажных отходов или садового мусора
(см. гл. 18).
Гумус, получаемый из канализацион-
ного ила, обычно распределяется бесплат-
но. Многие города, особенно на юго-запа-
де США, вывозят его на сельскохозяй-
ственные поля. В Чикаго значительную
его часть используют для рекультивации
почв, нарушенных открытыми горными
разработками (рис. 10-17). В Милуоки,
где пивоваренная промышленность дает
много особенно питательного ила, его
пастеризуют, упаковывают и продают как
органическое удобрение под названием
«Милорганит».
Альтернативные системы
Обратите внимание, что все рассмот-
ренные выше системы очистки предусмат-
ривают дальнейший сброс обработанной
воды в естественные водоемы. Совершен-
ствование заключалось лишь в добавле-
нии новых этапов удаления загрязните-
лей. В настоящее время эта основопола-
гающая концепция все чаще подвергается
критике. В конце концов сама по себе
вода, обогащенная питательными элемен-
тами, неопасна; все дело в нашей не-
способности применить экосистемный
принцип их круговорота. Однонаправлен-
ный поток биогенов приводит к развитию
не сельскохозяйственных культур, а того,
что нам совершенно не нужно,-водорос-
лей и эвтрофизации.
Использование богатой
биогенами воды для орошения
Вместо сброса доочищенной воды в
водоемы все больше городов склоняется
к использованию богатых биогенами сто-
ков для орошения. Например, в Сент-
314
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 10-17. Почвоулучшающее действие обра-
ботанного канализационного ила. Растения
справа высажены в почву из горного отвала,
смешанную с 10% ила. Растения слева выса-
жены в неулучшенную почву (фото Сельскохо-
зяйственного департамента США)
Питерсберге (Флорида) сточными водами
после вторичной очистки, когда-то за-
грязнявшими залив Тампа, теперь оро-
шают 4400 акров зеленых зон города, от
парков и газонов до площадок для голь-
фа. Доход от продажи такой воды окупа-
ет расходы на ее распределение. В Бей-
керсфилде (Калифорния) ферма пло-
щадью 5000 акров, орошаемая очищен-
ными стоками, приносит годовой доход
300000 долларов. В округе Клейтон
(Джорджия) частично очищенными кана-
лизационными стоками орошают 2700
акров леса. По всей стране разрабаты-
ваются сотни аналогичных проектов (см.
пример в этой главе).
Чтобы извлечь пользу из воды, бога-
той биогенами, ее не обязательно выли-
вать на землю. В настоящее время ис-
пользуются и разрабатываются высоко-
продуктивные системы аквакультуры.
Они предусматривают создание искусст-
венных «болот» и/или прудов для улавли-
вания богатых биогенами вод и интенсив-
ное разведение одного или более видов.
В штате Миссисипи как средство доочист-
ки стоков используют пруды с водяными
гиацинтами (рис. 10-18). Так можно выра-
щивать любые полезные водные растения.
Например, водяные гиацинты и бело-
крыльник годятся на корм скоту, рогоз
и другие «тростники» - для плетения
циновок, корзин и т.п. К тому же эти
растения можно подвергать анаэробному
разложению для производства метана,
сбраживать, получая спирт, или просто
сжигать как топливо для котлов. В аква-
культуру можно вводить другие компо-
ненты водных экосистем, например рыбу,
ракообразных, моллюсков, водоплаваю-
щую птицу (рис. 10-19). По идее полу-
чится нечто близкое к природному боло-
ту. Растения отфильтровывают наносы,
поглощают биогены и обеспечивают
местообитания и пищу для консументов.
Вода, в конечном итоге покидающая си-
стему, относительно чистая. На Филип-
пинах и в других местах участки при-
брежных болот отгорожены дамбами и
превращены в пруды. Поступающая в них
вода, богатая биогенами, обеспечивает
Рис. 10-18. Естественные болота можно ис-
пользовать под аквакультуры, применяя сточ-
ные воды в качестве источника биогенов. На
фотографии изображена ферма по выращива-
нию водяного гиацинта в Лусдейле, шт.
Миссисипи (фото N. D. Vietmeyer., Националь-
ная лаборатория аэрокосмической технологии)
Рис. 10-19. Биологическая доочистка. Богатые
биогенами сточные воды разбрызгивают по
сельскохозяйственным полям или естествен-
ным болотам. При этом продуктивность
растений повышается за счет поглощения
биогенов, а в естественные водоемы просачи-
вается очищенная вода. Как упоминалось
в тексте, растения, выращенные при таком
орошении, могут находить разнообразное
хозяйственное применение
"соломенные" изделия:
шляпы,сумки, корзины и т.п.
ПОЛЬЗА
ПИЩА ДЛЯ ЧЕЛОВЕКА*.
рыва, моллюски, ракоовразные,
водоплавающая птица из
чистых водоемов
КОРМ ДЛЯ СКОТА ТОПЛИВО,
ОРГАНИЧЕСКИЕ УДОБРЕНИЯ
из водорослей,ряски
и водяного гиацинта
поглощаются
316
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 10-20. Марикультура на Филиппинах.
Естественные болота преобразованы в рыбо-
водные пруды (фото Р. Boonserm, ФАО)
бурный рост водорослей и рыбы, которая
ими питается (рис. 10-20).
Существуют вполне понятные ограни-
чения на использование сточных вод для
орошения или аквакультуры. Во-первых,
поблизости от города должны находиться
подходящие, желательно пониженные
участки для приема оросительных вод.
В противном случае затраты на трубо-
проводы и насосы сделают такой подход
невозможным. Кроме того, описанные
системы наиболее применимы в местах
с теплым и сухим климатом, где почва
почти всегда может принять дополни-
тельную влагу, а растения вегетируют
круглый год. Впрочем, подходящие лагу-
ны для запасания воды в течение зимних
месяцев и продуманный подбор видов
могут компенсировать неблагоприятные
климатические условия. Самые сложные
проблемы отступают перед изобретатель-
ностью и желанием найти выход из поло-
жения.
Индивидуальные системы очистки
Множество домов в сельской мест-
ности не связано с муниципальной кана-
лизационной сетью. Вместо этого они
располагают системами индивидуальной
очистки. Обычно они состоят из санитар-
ного бака и дренажных труб (рис. 10-21).
Сточные воды попадают в бак, где тяже-
лые частицы оседают на дно, как и в пер-
вичном отстойнике при стандартной
очистке канализационных стоков. Вода,
в которой все еще остаются большое
количество мелкодисперсного органичес-
кого вещества и растворенные биогены,
стекает в проложенные под землей дрена-
жные трубы и просачивается из них в поч-
ву. Бактерии постепенно перерабатывают
органическое вещество, оседающее в баке,
в стабильный гумус, который следует
откачивать раз в два или три года.
Аналогичным образом почвенные бакте-
рии разлагают органику, проходящую по
10. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ КАНАЛИЗАЦИОННЫМИ СТОКАМИ
317
Рис. 10-21. Индивидуальная система очистки
канализационных стоков. Санитарный бак
и дренажные трубы (Сельскохозяйственный
департамент США, Служба охраны почв)
дренажным трубам. Некоторые люди
устраивают на полях, пронизанных таки-
ми трубами, прекрасные огороды, при-
меняя на практике принцип рециклизации
биогенов.
Системы индивидуальной очистки с
периодическим удалением гумуса из бака
могут работать неограниченно долго.
Однако органическое вещество часто по-
ступает в почву быстрее, чем разлагается,
постепенно забивая почвенные поры, что
заставляет неочищенные канализацион-
ные стоки двигаться к поверхности, рас-
пространяя дурные запахи, загрязняя во-
доемы и создавая угрозу для здоровья.
Если участок недостаточно велик для из-
менения конфигурации дренажной систе-
мы, вряд ли удастся решить эту проблему,
не подключившись как можно скорее к
централизованной канализационной сети.
В ее отсутствие во многих районах США
Воздушная
вытяжка
со2,н2о
Туалет
Мусоропровод
Система очистки
органических
отходов
Поступ-
ление
Слой торфам
почвы
накопления
гумуса
Рис. 10-22. «Кливус Мультрум», система обра-
ботки сухих отбросов. Мусор и нечистоты,
помещенные в этот агрегат, подвергаются
аэробному разложению. Сухой компост, бога-
тый гумусом и биогенами, удаляется в качестве
побочного продукта (с любезного разрешения
Clivus Maltrum, W. Ра., Inc.)
дорогие пригородные коттеджи с индиви-
дуальной очисткой стоков стали почти
непригодными для жилья. Возникнет ли
такая проблема и как скоро она возник-
нет, зависит от скорости поступления в
318
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
систему отходов. Вот почему не рекомен-
дуется объединять с ней мусоропроводы
или выбрасывать в нее туалетную бумагу
и другие предметы личной гигиены.
Еще один интересный способ избав-
ляться от отходов в частных домах-ком-
постирующий туалет. В качестве примера
можно привести разработанную в Швеции
систему «Кливус Мультрум» (рис. 10-22).
Она принимает только человеческие ис-
пражнения и пищевые отходы-никакой
воды, кроме мочи. По мере разложения
они проходят через камеры и спустя
два-четыре года поступают в последнюю
камеру в виде устойчивого, богатого био-
генами гумуса, пригодного для удобрения
садов и газонов. Для обработки «серой
воды» из ванн или кухонных раковин
должны использоваться другие средства,
но, так как она не загрязнена человечес-
кими экскрементами, с ней возникает от-
носительно мало проблем. Ею можно
поливать газоны и сады.
Подведение итогов;
что Вы можете сделать
Прогресс и его отсутствие
Как отмечалось выше, уже к 1870 г.
стало понятно, что неочищенные канали-
зационные стоки создают угрозу инфек-
ционных заболеваний, и к концу XIX в.
была разработана технология их первич-
ной и вторичной (капельные биофильтры)
очистки. Тем не менее большого сдвига
в решении этой непрерывно обостряю-
щейся проблемы не наблюдалось, особен-
но в менее развитых странах, где многие
до сих пор не пользуются очищенной
водой и ваннами. Отходы человеческой
жизнедеятельности попадают прямо в
водосточные канавы, а оттуда в ручьи
и озера, откуда люди берут воду для
питья и стирают белье. Многие страдают
от развивающихся в канализационных
стоках паразитов, а болезни, вызываемые
«плохой» водой, остаются основной при-
чиной детской смертности.
В конце 1960-х гг. в США примерно
треть канализационных стоков все еще
сбрасывалась без всякой очистки в естест-
венные водоемы вместе с ливневыми
водами. Еще треть подвергалась перед
этим только первичной очистке. Даже в
городах с хорошими системами очистки
существовало множество мест сброса не-
обработанных канализационных стоков
из домов, которые никогда не были
подключены к централизованной муни-
ципальной системе. Проблему осложнял
рост населения, перегружавший существо-
вавшие системы, что приводило к утеч-
кам, засорению и переполнению. Вдоль
некогда чистых рек и пляжей появились
таблички: «Не купаться! Вода загряз-
нена!»
Под давлением возмущенной общест-
венности в 1972 г. Конгресс США принял
Акт о чистой воде, который ознаменовал
значительный прогресс в данной области.
По этому закону стали выделяться феде-
ральные средства на строительство новых
канализационных коллекторов, разделе-
ние канализации и ливнестоков, сооруже-
ние, расширение и усовершенствование
водоочистных установок. С тех пор как
закон вступил в действие, на эти цели
выделено около 50 млрд, долларов. В на-
стоящее время в США большинство кана-
лизационных стоков перед сбросом в
водоемы подвергается по меньшей мере
вторичной очистке.
Но сделать еще предстоит очень мно-
го. Около 150 городов по-прежнему сбра-
сывают неочищенные канализационные
стоки в заливы, озера и прибрежные воды.
Несмотря на запрет Агентства охраны
окружающей среды (ЕРА), Бостон и Сан-
Диего до сих пор сбрасывают в океан
сточные воды, прошедшие только первич-
ную очистку. Из-за сохраняющейся связи
канализационных коллекторов с ливневы-
ми многие очистные сооружения перегру-
жены и во время ливней вынуждены сбра-
сывать неочищенные стоки. Наконец, не-
смотря на все усиливающуюся эвтрофиза-
цию, относительно немногие города про-
водят доочистку богатых биогенами вод
или используют их альтернативным спо-
собом.
Кроме того, многие города сталкива-
ются с проблемой размещения ила после
первичной и вторичной очистки. В связи
10. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ КАНАЛИЗАЦИОННЫМИ СТОКАМИ
319
с этим его часто сжигают или вывозят на
свалки, несмотря на потенциальную цен-
ность. Ил-сырец из Нью-Йорка и его
пригородов отправляют на баржах в море
и там топят. Официально такая практика
запрещена Актом о чистой воде, но здесь
удалось получить отсрочку до 1992 г. под
предлогом отсутствия альтернативного
выхода. Аналогичным образом основной
объем биогаза, образующегося в процессе
анаэробного сбраживания ила, просто
сжигают на месте (см. рис. 10-14).
Препятствия на пути
прогресса
Загрязнение промышленными
отходами
Серьезное препятствие для использо-
вания канализационного ила и богатых
биогенами сточных вод в сельском хо-
зяйстве-их промышленное загрязнение.
Индустрия часто сбрасывает свои отходы,
содержащие такие ядовитые вещества, как
свинец, ртуть, хром и неразлагаемую био-
логически органику, в муниципальные
системы. Вы уже знаете, что различные
стадии обработки канализационных сто-
ков не устраняют эти химические компо-
ненты, которые губят организмы, исполь-
зуемые при вторичной очистке, тем са-
мым снижая ее эффективность. Кроме
того, они связываются с органическим
веществом и попадают в обработанный
ил, делая его неприменимым в сельском
хозяйстве, поскольку он становится ток-
сичным для растений. Аналогичным обра-
зом такие сточные воды непригодны для
орошения. По этой причине значительную
часть ила из водоочистных установок в
США все еще нельзя использовать в сель-
ском хозяйстве.
Однако Акт о чистой воде в настоящее
время требует от промышленных пред-
приятий либо очищать от токсичных
элементов сточные воды перед их сбро-
сом в муниципальные системы канализа-
ции, либо находить альтернативные спо-
собы избавляться от них. Когда нормы по
такой предварительной очистке и конт-
роль за их соблюдением станут более
строгими, канализационный ил и сточные
воды станут шире применяться для удоб-
рения и орошения.
Равнодушие общественности
Важнейшим препятствием для совер-
шенствования очистки канализационных
стоков и/или сельскохозяйственного ис-
пользования получаемого при этом гу-
муса и богатых биогенами вод остается
равнодушие или даже противодействие
общественности. Многим кажется, что по
канализационным трубам течет что-то
«немыслимое и невообразимое». Невоз-
можно представить себе связь между
стерильными, без единого пятнышка туа-
летами и потоком нечистот, попадающим
в водоемы. Общая плата за воду и кана-
лизацию, включающая стоимость очист-
ки стоков, составляет всего лишь 5-10
долларов на семью в месяц. За дополни-
тельные 2-3 доллара можно было бы
довести систему их очистки до совершен-
ства. Но многие люди категорически про-
тив повышения платы за канализацию,
и муниципальные власти считают, что
проведение референдумов по повышению
расходов на очистные сооружения даст
отрицательные результаты. Некоторые
так упорно выступают против использо-
вания канализационного ила и сточных
вод в сельском хозяйстве, что готовы
привлечь за это к суду отдельных людей
и муниципальные власти. Парадокс: за-
прещая вывозить на газоны и сельско-
хозяйственные поля гумус, полученный из
канализационного ила, они не возражают
против попадания неочищенных стоков
в реки и озера, служащие источниками
питьевой воды. Очевидно, что основное
препятствие на пути решения проблемы-
недостаток ее понимания обществен-
ностью.
Что Вы можете сделать
Осознав проблему канализационных
стоков и зная пути ее решения, Вы можете
сыграть важную роль в распространении
этой информации. Выясните положение
вещей в вашем собственном поселке. На-
320
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
сколько полно очищаются стоки? Куда
сбрасывается вода? Каковы последствия
этого. Проводится ли доочистка? Есть ли
возможность использовать сточные воды
для орошения или создания аквакульту-
ры? Что происходит с удаленным из них
илом? Если существует возможность ис-
править экологическую ситуацию в лю-
бой из перечисленных областей, вступите
в природоохранную организацию или
комитет общественных действий и добей-
тесь включения данных вопросов в их
программы, если этого до сих пор не
сделано.
Если доступен обработанный ил, как
частное лицо Вы можете начать исполь-
зовать его в собственном саду, стараясь
убедить соседей и друзей поступать так
же. В домах, построенных до 1970 г.,
водосточные трубы и дождевые дрены
обычно выведены в канализационную сис-
тему, что чревато ее перегрузкой во время
ливней. Проверьте на этот счет Ваш соб-
ственный дом и, если это необходимо,
отсоедините водостоки от канализации
и направьте их в другое место.
Если мы хотим, чтобы наши реки и
озера были чистыми, мы должны вклю-
читься в проводимую работу и выяснить,
что уже делается и что нужно сделать для
сохранения или восстановления высокого
качества воды. Надо поддерживать тех
представителей власти, которые борятся
за окружающую среду, и не давать покоя
тем, кто ничего не делает в этом на-
правлении.
Мониторинг загрязнения
сточными водами
Несмотря на общее улучшение дел в
области сбора и очистки канализацион-
ных стоков, всегда были и будут случать-
ся неожиданные утечки, поломки и за-
топления в канализационных системах.
Поэтому необходим постоянный монито-
ринг загрязнения сточными водами. Рас-
смотрим, как это делается.
Выявлять каждый возможный патоген-
ный организм было бы слишком сложно,
дорого и трудоемко. Поэтому разрабо-
тан косвенный метод-тест на кишечную
палочку, или фекальные колиформные
бактерии. Он основан на том, что в толс-
той кишке человека и других животных
обычно обитают огромные популяции так
называемой кишечной палочки - бактерий
E.coli {Escherichia coli), которая отсутст-
вует во внешней среде, если только не
попадает в нее с фекалиями. E.coli не
патогенна, более того, она нужна для
нормального пищеварения. Однако, неиз-
бежно присутствуя в испражнениях, она
служит индикатором источника неочи-
щенных канализационных стоков, а сле-
довательно, и возможного наличия свя-
занных с ними патогенных микроорга-
низмов. И напротив, отсутствие Е. coli
указывает на то, что вода, вероятнее все-
го, свободна от канализационных пато-
генов.
Тест на кишечную палочку (рис. 10-23)
служит для выявления и подсчета коли-
формных бактерий в пробе воды объемом
обычно 100 мл (половина чашки). Он по-
казывает уровень загрязнения канализа-
ционными стоками и относительную уг-
розу для здоровья. Например, чтобы вода
считалась безопасной для питья, E.coli в
ней должна отсутствовать, т. е. ее канали-
зационное загрязнение должно быть абсо-
лютно исключено. Однако вода, содержа-
щая 100-200 E.coli на 100мл, считается
безопасной для плавания. Если этот уро-
вень превышен, реку можно объявить за-
грязненной, запретить купание и любое
прямое использование ее воды. Для срав-
нения: 100 мл неочищенных стоков (99,9%
воды и 0,1% нечистот) содержат миллио-
ны кишечных палочек.
Если вода слишком загрязнена для
использования, возможны два выхода: де-
зинфекция и/или устранение источника
сбросов. Запасы питьевой воды и плава-
тельные бассейны обычно дезинфицируют
хлором. Однако совершенно очевидно,
что продезинфицировать естественные во-
доемы, не уничтожив в них все живое,
невозможно. Следовательно, иного выхо-
да, кроме совершенствования очистных
сооружений, нет.
Огорчает, однако, то обстоятельство,
что люди до сих пор склонны недооцени-
вать значение обработки канализацион-
10. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ КАНАЛИЗАЦИОННЫМИ СТОКАМИ
321
Рис. 10-23. Тест на фекальные колиформные
бактерии. Их численность определяют так. А.
В установку для фильтрования помещают
специальный фильтр. Б. Пропускают через
него пробу воды; при этом бактерии задержи-
ваются фильтром. В. Его помещают в чашку
Петри с питательной средой и инкубируют 24 ч
при температуре 38°С. За это время каждая
бактерия Е. coli, осевшая на фильтре, размно-
жается, образуя колонию, видимую невоору-
женным глазом. Г. Таким образом, число
бактерий в пробе воды равно числу колоний на
фильтре (они выглядят как пятна). Колонии
фекальных колиформных бактерий определяют
по характерному металлически-зеленому от-
тенку (фото Bob Hudson)
ных стоков. Большинство считают это де-
лом муниципальной власти. Следователь-
но, вопрос о необходимости соответству-
ющего очистного оборудования часто
превращается в политические дебаты о
том, как расходуются средства налого-
плательщиков. Очень важно понимать
связь между нашими туалетами и загряз-
нением пляжей и водоемов. Очистка ка-
нализационных стоков-не политический
вопрос. Это важнейшее условие сохране-
ния окружающей среды и здоровья людей.
Пример
Система очистки
сточных вод
на полях орошения
Мы уже убедились, что необходимо
применять экологический принцип рецик-
11 2199
322
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Очистка сточных вод на полях орошения.
Обратите внимание, как бурно разрастается
трава благодаря поступлению биогенов. Под-
робности в тексте (фото автора)
лизации биогенов из отходов, отказав-
шись от традиционного сбрасывания их
в водоемы, где они вызывают эвтрофиза-
цию. Альтернативный подход-система
полей орошения. Установка, основанная
на этом принципе, недавно пущена в ок-
рестностях Эммитсберга (Мэриленд).
Неочищенные сточные воды из всех
домов и учреждений (приблизительно
1 млн. галлонов в день) сначала поступа-
ют в пруд, где оседают мусор и наиболее
крупные частицы, а затем на длинные
узкие «поля», показанные на фотографии.
Здесь развит пахотный слой толщиной
приблизительно 1 фут и выращивается
канареечник - кормовой злак, очень актив-
но поглощающий из почвы азот и другие
биогены. Подпочва представлена водоне-
проницаемой глиной и образует плавный
уклон в направлении от оросительной
трубы. Таким образом, сточные воды,
поступающие с одной стороны поля, про-
сачиваются сквозь пахотный слой и сте-
кают в дренажную канаву на другой его
стороне. По мере их прохождения сквозь
почву обитающие в ней организмы раз-
лагают и усваивают органические отходы,
т. е. поддерживается богатство пахотного
слоя биогенами и его агрегированная
структура. Поскольку канареечник погло-
щает питательные элементы, вода стекает
в дренажную канаву чистой и почти пол-
ностью их лишенной. Ее собирают в дру-
гой резервуар и впоследствии используют
для орошения кормовых культур, так что
оставшиеся биогены не пропадают впус-
тую. Канареечник время от времени ска-
шивают и скармливают скоту. Таким
образом, биогены совершают полный
круговорот, попадая из сточных вод в
траву, в мясо животных, в человека, а за-
тем опять в сточные воды и в почву.
Кажется удивительным, как это ма-
ленький городок на западе Мэриленда
умудрился внедрить столь совершенный
в экологическом отношении метод. Во-
первых, он нуждался в новом очистном
оборудовании в связи с ростом населения.
10. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ КАНАЛИЗАЦИОННЫМИ СТОКАМИ 323
Однако главное-экологическая инициа-
тива одного местного фермера, убедивше-
го городские власти последовать его со-
ветам. Он добровольно предоставил свои
земли (около 200 акров) под поля ороше-
ния канализационными стоками. Его пе-
редовые взгляды создали ситуацию, вы-
годную для всех. Он получил бесплатную
воду и удобрения, Эммитсберг-дешевую,
не требующую особого ухода систему очис-
тки, соответствующую санитарным нор-
мам и удовлетворяющую запросы расту-
щего населения. А всем вместе выгодно,
что биогены не попадают в Чесапикский
залив и не способствуют его эвтрофиза-
ции.
11
Ядохимикаты
и загрязнение грунтовых вод
Раздел
Учебные вопросы
I. ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГРУНТО-
ВЫХ ВОД...................326
II. ЯДОХИМИКАТЫ, ИХ
ОПАСНОСТЬ......................327
А. Что собой представляют ядохими-
каты .......................327
1. Тяжелые металлы.............327
2. Синтетические органические соедине-
ния ............................327
Б. Проблема биоаккумуляции . . . 329
В. Синергические эффекты......330
III. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
ЯДОХИМИКАТАМИ.................331
А. Основные источники ядовитых химичес-
ких отходов...............331
Б. История проблемы ядовитых отхо-
дов .......................331
1. Бесконтрольный выброс в воздух и
воду.......................331
2. Переход к захоронению отхо-
дов ..........................332
В. Способы захоронения...........333
1. Глубокие колодцы...........333
2. Поверхностные пруды .... 333
3. Могильццки.................335
1. Вспомните, как важны грунтовые воды.
Перечислите пять источников их загряз-
нения.
2. Назовите два основных класса ядохими-
катов.
3. Приведите примеры тяжелых металлов
и их токсичности.
4. Приведите примеры синтетических орга-
нических соединений и охарактеризуйте их.
Назовите их класс и подкласс, которые
особенно опасны. Атомы каких элемен-
тов содержатся в молекуле хлорирован-
ного углеводорода?
5. Охарактеризуйте процесс биоаккумуля-
ции. Почему тяжелые металлы и галоге-
нированные углеводороды обычно био-
аккумулируются? Что происходит в пи-
щевой цепи? Приведите пример оиокон-
центрирования и опишите этот процесс.
6. Приведите примеры синергических эффек-
тов и охарактеризуйте их.
7. Назовите основные источники ядовитых
химических отходов.
8. Опишите традиционные методы удаления
отходов.
9. Как был положен конец неконтролируе-
мым выбросам? Какие законы посвящены
этой проблеме?
10. Какие альтернативные способы размеще-
ния были найдены? Какие они принесли
результаты (хорошие и плохие).
11. Назовите и охарактеризуйте три способа
захоронения отходов. Опишите, как сде-
лать, чтобы они не приводили к загрязне-
нию грунтовых вод.
11. ЯДОХИМИКАТЫ И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД
325
Г. Проблемы, связанные с захороне-
нием .........................335
1. «Полуночные свалки» .... 335
2. Небезопасные хранилища . . . 337
Д. Масштабы проблемы............337
IV. ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ЯДОВИТЫХ
ОТХОДОВ И КОНТРОЛЬ ЗА
НИМИ ....................338
А. Обеспечение безопасности источников
питьевой воды...................
338
Б. Очистка существующих хранилищ . . 339
В. Восстановление качества грунтовых
вод.............................339
Г. Контроль за отходами, получаемыми в
настоящее время.................340
1. Акт о чистой воде.............340
2. Акт об охране и восстановлении
ресурсов......................341
Пример. Гибель китов-белух в Канаде . . 349
Д. Контроль за ядовитыми отходами в
будущем..........................343
1. Сокращение объема, преобразование и
рециклизация отходов .... 343
2. Сжигание.....................343
3. Биодеградация................343
Е. Снижение профессионального и
случайного риска.................345
1. Право на информацию .... 345
2. Срочные действия при авариях и
несчастных случаях............345
Ж. Что Вы можете сделать .... 347
12. Назовите две основные проблемы, связан-
ные с захоронением отходов. Опишите
недостатки каждого способа.
13. Обсудите масштабы проблемы ядовитых
отходов, приведите их объемы, коли-
чества, вымываемые в грунтовые воды.
14. Перечислите четыре основных аспекта
проблемы ядовитых отходов.
15. Какой закон предохраняет нас от нали-
чия ядовитых отходов в питьевой воде?
Каковы его гарантии и недостатки?
16. Какой закон обеспечивает очистку суще-
ствующих хранилищ? Обсудите успехи и
недостатки его применения.
17. Можно ли восстановить качество грунто-
вых вод? Как?
18. Назовите два закона, относящиеся к отхо-
дам, получаемым в настоящее время. Об-
судите, что требует каждый из них и
какие у них недостатки.
19. Объясните идею временных разрешений.
Почему они необходимы? Каковы их не-
достатки?
20. Обсудите, что можно сделать в смысле
контроля за ядовитыми отходами в буду-
щем. Какие методы сокращения ядови-
тых отходов и обращения с ними наиболее
рациональны в экологическом отноше-
нии? Опишите каждый из них.
21. Обсудите законы, связанные со снижением
профессионального риска при работе с
ядовитыми веществами, и ущерб для здо-
ровья, возникающий при авариях.
22. Обсудите, что Вы можете сделать для
того, чтобы уберечь свое и чужое здо-
ровье от воздействия ядовитых отходов.
За последние несколько десятилетий
грунтовые воды стали одним из важней-
ших ресурсов. С 1950 по 1980 г. их забор
в США почти утроился и в настоящее
время обеспечивает почти половину воды,
расходуемой в быту, и около 40% ее
затрат на орошение. Кроме того, каждый
год бурят еще примерно 750000 скважин.
Обычно, за редким исключением, грунто-
вые воды обладали прекрасным качест-
вом и без всякой очистки удовлетворяли
требованиям стандартов по питьевой
воде.
К несчастью, случаи загрязнения вы-
сококачественных грунтовых вод ядови-
тыми веществами становятся все более
частыми. В результате появляются серьез-
ные заболевания, колодцы закрывают, и
людям приходится брать воду из других
источников или прибегать к дорогостоя-
щим способам очистки (рис. 11-1). Загряз-
нение грунтовых вод было признано в
326
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 11-1. Жители Мак-Киспорта (Пенсильва-
ния) получают очищенную воду из армейских
запасов, так как муниципальные источники
загрязнены. Когда в грунтовые воды попали
ядовитые химикаты, многим людям приходит-
ся пользоваться другими путями водоснабже-
ния, которые иногда неудобны, дороги и огра-
ничены (Grapes Michaud/Photo Researchers)
1980-х гг. одной из важнейших экологи-
ческих проблем, которая, несомненно,
сохранится в 1990-е гг. и даже позже.
Какие же ядовитые вещества их загряз-
няют? Откуда они берутся? Что можно
сделать для предотвращения дальнейшего
загрязнения? Как исправить положение
там, где грунтовые воды уже загрязнены?
К этим вопросам мы и обратимся в дан-
ной главе.
Источники загрязнения
грунтовых вод
Инфильтруясь и просачиваясь сквозь
почву, вода уносит с собой в грунтовые
воды все растворимые в ней вещества.
Почва не может задержать их. Эта про-
блема выщелачивания уже упоминалась в
предыдущих главах. Следовательно, лю-
бое химическое вещество, примененное,
размещенное, разлитое, рассыпанное на
земле или попавшее в нее, может загряз-
нить грунтовые воды (рис. 11-2).
В настоящее время основными источ-
никами загрязнения грунтовых вод при-
знаны:
-неправильно устроенные свалки и
другие хранилища ядовитых веществ,
откуда они могут просачиваться в грун-
товые воды;
-протекающие подземные резервуары
и трубопроводы. Особую проблему сос-
тавляет утечка бензина из резервуаров на
автозаправочных станциях;
-пестициды и удобрения, применяе-
мые на полях, газонах, в садах;
- соль, которой посыпают дороги при
гололеде;
- мазут, применяемый на дорогах для
связывания пыли;
- излишки применяемых в хозяйстве
сточных вод и канализационного ила;
- утечки при транспортировке.
Неприспособленные хранилища, а так-
же использование пестицидов представ-
ляют собой наиболее распространенные
источники угрозы для грунтовых вод.
11. ЯДОХИМИКАТЫ И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД
327
Ядохимикаты,
их опасность
Наибольшую проблему при загрязне-
нии грунтовых вод создают некоторые
ядохимикаты, с трудом выявляемые из-за
их очень низких концентраций, но способ-
ные постепенно накапливаться в организ-
ме, вызывая многочисленные расстройст-
ва здоровья, в том числе рак.
Что собой представляют
ядохимикаты
Большинство ядохимикатов принадле-
жит к одному из двух классов: тяжелым
металлам или синтетическим органичес-
ким соединениям.
Тяжелые металлы
Тяжелыми металлами называют хими-
ческие элементы-металлы, у которых в
чистом виде высокая плотность, например
свинец, олово, мышьяк, кадмий, ртуть,
хром, медь и цинк. Они широко исполь-
зуются в промышленности. Тяжелые ме-
таллы чрезвычайно ядовиты. Их ионы и
Рис. 11-2. Все химикаты, которые используют,
хранят, проливают, захоранивают в земле,
могут попасть в грунтовые воды. На этом
рисунке изображены важнейшие источники их
загрязнения
некоторые соединения растворимы в воде
и могут попадать в организм, где, взаимо-
действуя с рядом ферментов, подавляют
их активность. Таким образом, очень ма-
лые их количества чреваты крайне тяже-
лыми физиологическими и неврологичес-
кими последствиями. Особенно хорошо
известны умственная отсталость, вызыва-
емая свинцовым отравлением, а также
психические аномалии и врожденные
уродства при ртутных отравлениях.
Синтетические органические
соединения
Вспомните, что все сложные молекулы
в составе растительных и животных орга-
низмов-это природные органические ве-
щества. Помимо них люди научились по-
лучать сотни тысяч органических (в основе
328
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
н
I
н — с—н
н
Метан
Замещение водорода
хлором
CI
ci—с —CI
CI
Четыреххлористый
углерод
ci—с ,с---------с----
\\ // I
С — С I
/ х CI-C-CI
н н
CI
Ллдрин
Хлордан
ДДТ
Рис. 11-3. Хлорированные углеводороды-это
органические соединения, в которых атом
водорода (Н) замещен атомом хлора (С1)
которых лежит углерод) соединений, ис-
пользуемых для производства пластмасс,
синтетических волокон, искусственного
каучука, лакокрасочных покрытий, раст-
ворителей, пестицидов, защитных покры-
тий для дерева и многих других изделий
химической промышленности. Такие ве-
щества называют синтетическими орга-
ническими соединениями.
Многие из них настолько напоминают
природные, что могут усваиваться орга-
низмом и взаимодействовать с некоторы-
ми ферментами и другими системами.
Таблица 11-1. Ядовитые синтетические органические соединения, часто встречающиеся в
химических отходах (с изменениями из “Hazardous Waste in America” by S. Epstein,
L. Brown, C. Pope. Copyright 1982 by Samuel S. Epstein, M.D., Lester O. Brown,
Carl Pope. С разрешения Sierra Club Books)
Химикаты Известные последствия для здоровья
1 2 3 4 5 6 7 8
Бензол X X X X
Дихлорбензолы X X X X
Г ексахлорбензол X X X X X
Хлороформ X X X X
Четыреххлористый углерод Этилен X X X X X
Хлорэтилен (винилхлорид) X X X X X
Дихлорэтилен X X X X X X
Т етрахлорэтилен X X X X
Трихлорэтилен X X X X
Гептахлор X X X X X
Полихлорированные бифе- нилы (ПХБ) X X X X X X
Т етрахл ор дибензо диоксин X X X X X X
Толуол X X X
Хлортолуолы Ксилол X X X X X
1-мутации; 2-рак; 3-врожденные дефекты; 4-мертворожденные; 5-нервные нарушения; 6 - заболевания
печени; 7-заболевания почек; 8 - заболевания легких.
11. ЯДОХИМИКАТЫ И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД
329
Именно они и создают проблемы. Орга-
низм может оказаться неспособным раз-
лагать их или включать в метаболизм
иным путем, т. е. они небиодеградирующие.
В результате они нарушают его функцио-
нирование. При определенных дозах воз-
можны острое отравление и смерть. Однако
и небольшие дозы, получаемые на протя-
жении длительного периода, приводят к
весьма неприятным эффектам, например
канцерогенному (развитие рака), мутаген-
ному (появление мутаций) и тератогенно-
му (врожденные дефекты у детей). Кроме
того, они могут вызывать серьезные за-
болевания печени и почек, бесплодие и
многие другие физиологические и невро-
логические расстройства.
Рис. 11-4. Биоконцентрирование. При биоакку-
муляции в пищевой цепи каждый следующий
консумент получает более загрязненную пищу,
чем предыдущий, и в свою очередь накапли-
вает еще большие концентрации загрязнителя.
Например, при прохождении через пищевую
цепь концентрация ДДТ может увеличиться
в 10 млн. раз
Наиболее опасны галогенированные
углеводороды - органические соединения,
в которых один или более атомов водоро-
да замещены атомами хлора, брома, фто-
ра или иода. Эти четыре элемента отно-
сятся к классу галогенов, отсюда и назва-
ние веществ.
Наиболее распространены содержащие
хлор, т. е. хлорированные углеводороды.
Их часто применяют при изготовлении
пластмасс (например, поливинилхлорид),
пестицидов (например ДДТ), растворите-
лей (например, тетрахлорфенол), электро-
изоляции (например, полихлорированные
бифенилы, или ПХБ), пламягасящих ве-
ществ и многих других изделий. ПХБ и
диоксин - примеры хлорсодержащих угле-
водородов, широко известных именно
из-за своей опасности. Другие приведены
в табл. 11-1 и на рис. 11-3.
Проблема биоаккумуляции
Как тяжелые металлы, так и галоге-
нированные углеводороды особенно опас-
ны ввиду способности к биоаккумуляции.
Она заключается в том, что малые, кажу-
щиеся безвредными дозы, получаемые в
Концентрация
увеличилась
вЮмлнраз
Концентрация
ДДТ, млн"1
Вода
0,000003
330
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
течение длительного периода, накаплива-
ются в организме, создают в итоге ток-
сичную концентрацию и наносят ущерб
здоровью. Биоаккумуляция происходит,
во-первых, из-за отсутствия биодеграда-
ции. Тяжелые металлы как простые эле-
менты невозможно разрушить или пре-
образовать в ходе химических процессов.
Хлорсодержащие углеводороды разлага-
ются при очень высокой температуре, но
в большинстве случаев в организме нет
ферментов, способных их расщепить. Во-
вторых, эти вещества легко поглощаются,
но если и выводятся, то очень медленно.
Организм неспособен освобождаться от
них с мочой, поскольку тяжелые металлы
прочно связываютя с белками, а галоге-
нированные углеводороды растворяются
в жирах гораздо лучше, чем в воде. В ре-
зультате, поступая с пищей и жидкостями,
эти вещества удерживаются и накаплива-
ются в теле, как на фильтре.
Биоаккумуляция может усугубляться
в пищевой цепи, как показано на рис. 11-4.
Организмы, находящиеся в ее основе,
поглощают химикаты из внешней среды
и аккумулируют их в своих тканях. Пи-
таясь этими организмами, животные сле-
дующего трофического уровня получают
исходно более высокие дозы, накаплива-
ют более высокие концентрации и т. д.
В результате на вершине данной пищевой
цепи концентрация химиката в организмах
может стать в 100000 раз выше, чем во
внешней среде. Неудивительно, что при
этом случаются летальные исходы. Такое
накопление вещества при прохождении
через пищевую цепь называют биоконцен-
трированием.
К большому сожалению, и биоаккуму-
ляцию, и биоконцентрирование трудно
заметить до достижения опасного уровня
химиката. А тогда уже поздно что-либо
предпринимать.
Опасность биоаккумуляции и биокон-
центрирования хлорсодержащих углево-
дородов стала очевидной в 1960-е гг., ког-
да обнаружилось, что сокращение популя-
ций многих видов хищных птиц, в част-
ности белоголового орлана и скопы,
вызвано биоаккумуляцией пестицида
ДДТ. Многие места промышленной и
спортивной рыбной ловли были закрыты
в связи с опасными уровнями ПХБ и дру-
гих хлоросодержащих углеводородов, ак-
кумулированных организмами рыб.
В начале 1970-х гг. произошел траги-
ческий эпизод, известный как болезнь Ми-
наматы, продемонстрировавший возмож-
ность биоаккумуляции ртути и других
тяжелых металлов. Болезнь носит назва-
ние маленького рыбачьего поселка в Япо-
нии, где произошла трагедия. В середине
1950-х гг. в Минамате у кошек стали
замечать судороги, за которыми следовал
частичный паралич, а позднеее-кома и
смерть. Сначала думали, что страдают
только кошки, и особого внимания этому
не придали. Однако, когда аналогичные
симптомы появились у людей, беспокой-
ство быстро возросло. Кроме того, стали
замечаться случаи умственной отсталос-
ти, психические расстройства и врожден-
ные дефекты. Со временем специалисты
установили причину: острое ртутное от-
равление.
Химическое предприятие, расположен-
ное неподалеку, сбрасывало содержавшие
ртуть отходы в реку, впадавшую в залив,
где рыбачили жители Минаматы. Оседав-
шую с детритом ртуть сначала поглоща-
ли бактерии, а затем она концентрирова-
лась в пищевой цепи, попадая через рыб
к кошкам и людям. Кошки пострадали
в первую очередь и сильнее всего, потому
что питались исключительно остатками
рыбы. К тому времени, когда ситуация
была взята под контроль, погибли около
50 человек и еще 150 получили серьезные
заболевания костей и нервной системы.
До сих пор о трагедии напоминают урод-
ливые тела и умственная отсталость жи-
телей Минаматы.
Синергические эффекты
Ситуацию осложняют синергические
эффекты. Ядохимикаты редко встречают-
ся по отдельности, а два или более ядов
вместе дают эффект, во много раз превос-
ходящий сумму действий каждого из них.
Это явление называют синергизмом. Чрез-
вычайно опасный синергический эффект
11. ЯДОХИМИКАТЫ И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД
331
обнаружился совсем недавно. Некоторые
галогенированные углеводороды и, воз-
можно, другие химикаты (один фактор)
ослабляют иммунную систему, в резуль-
тате чего организм становится более под-
верженным действию инфекций и парази-
тов (второй фактор). Подозревают, что
это причина недавнего катастрофического
вымирания тюленей в Северном море.
Загрязнение окружающей
среды ядохимикатами
Основной источник загрязнения окру-
жающей среды токсичными веществами -
отходы химического производства; другой
важный источник-использование пести-
цидов, о чем мы расскажем в гл. 15.
Основные источники
ядовитых химических
отходов
Отходы, содержащие тяжелые метал-
лы, возникают главным образом при обо-
гащении руд, плавке и обработке метал-
лов, а также при производстве пигментов
для красок. Отходы синтетических орга-
нических веществ дают в основном хими-
ческая промышленность и смежные ей от-
расли, производящие мыло, пластмассы,
искусственный каучук, удобрения, синте-
тические волокна, лекарства, детергенты,
косметику, красители, клеи, пестициды и
взрывчатые вещества.
Химические отходы представляют (или
насыщают) собой:
- побочные продукты и «излишки» раз-
личных химических производств;
- отработанные воздействующие аген-
ты, очищающие и смазочные средства;
- воду, использованную для мытья го-
товой продукции, оборудования и контей-
неров;
- остатки, находящиеся в упаковках, не
подлежащих вторичному использованию.
Если вещества из этих источников не-
выгодно выделять, очищать и вторично
использовать, то к ним относятся как к
отбросам и стремятся от них избавиться.
История проблемы
ядовитых отходов
Бесконтрольный выброс в воздух
и воду
Традиционно от химических отходов
старались избавиться как можно скорее.
Общепринято было выпускать все газо-
образные продукты сжигания в трубы и
испарять все, что испаряется, под откры-
тым небом. Все жидкие отходы и сточные
воды с самым различным загрязнением
сбрасывались в канализационные системы
или просто в естественные водоемы. Мно-
жество возникавших нарушений здоровья
либо не связывали с этим, либо считали
неизбежной «платой за прогресс». Немало
наших нынешних представлений о воздей-
ствии разных веществ на здоровье чело-
века сложилось именно благодаря такому
печальному опыту. Например, выражение
«сумасшедший, как шляпник», появилось
из-за того, что в XIX в. мастера, изго-
товлявшие шляпы, часто сходили с ума.
Как выяснилось впоследствии, психичес-
кие расстройства случались из-за отравле-
ния ртутью, используемой в производстве.
По мере развития промышленности и
распространения синтетических органи-
ческих соединений после второй мировой
войны многие ручьи и реки стали, по су-
ществу, сточными канавами для химичес-
ких отходов, не просто безжизненными,
а опасными. Например, в 1960-х гг. в реке
Кайохога, протекающей через Кливленд
(Огайо), оказалось столько легковоспла-
меняемых веществ, что они вызвали по-
жар, уничтожив прежде чем выгореть семь
мостов.
Такие происшествия вместе с растущим
беспокойством о здоровье, а также об-
щественное негодование по поводу столь
очевидных проблем побудили Конгресс
принять в 1970 г. Акт о чистом воздухе,
а в 1972 г. Акт о чистой воде. В результате
этих законодательных мер промышлен-
ности пришлось потратить миллиарды
долларов на создание оборудования, пре-
дотвращающего загрязнение. Был значи-
тельно сокращен прямой выброс отходов
в воду и воздух, во многих районах су-
332
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
ТЕОРИЯ
До сухого пористого
горизонта Бурят
скважину; в нее
закачивают отходы.
Чтобы предотвратить
загрязнение грунто-
вых вод, смежную с
ними часть колодца
заключают в трубу
и облицовывают.
ЗАХОРОНЕНИЕ ОПАСНЫХ ОТХОДОВ В ГЛУБОКИХ КОЛОДЦАХ
ПРАКТИКА
1 .Утечки и вымывание
отходов на поверхности
2 .Коррозия ведет к
прорыву отходов.
З .Неудачная овлицовка
ведет к прорыву отходов
4 . Отходы попадают в
грунтовые воды через
трещины,образовавшие-
ся в ходе землетрясении
и закачивания жидкости.
Рис. 11-5. Глубокие колодцы-один из спосо-
бов захоронения больших количеств жидких
отходов. Предполагается, что эти ядовитые
жидкости впитываются в сухие пористые слои
в толще земли и могут оставаться там «вечно»,
не причиняя вреда. Меры предосторожности,
повышающие надежность этого метода, пере-
числены слева. Часто такие колодцы строят
неудачно, но, даже если все сделано правильно,
все равно остается определенный риск (см.
справа) (с изменениями с разрешения журнала
“Environmental Action”, 1525 New Hampshire
Ave. N. W., Washington, D. C., 20036)
щественно улучшилось качество воды, в
некогда безжизненные водоемы вернулась
рыба. Однако, несмотря на такой прогресс,
многое еще предстоит сделать, о чем и
пойдет речь ниже.
Переход к захоронению отходов
От того, что отходы запретили сбра-
сывать в воздух и в воду, их не стало
меньше; значит, их все равно надо где-то
размещать. В начале 1970-х гг. их стали
закапывать в землю. К сожалению, при
этом не учли всех возможных последствий:
хотя состояние воздуха и поверхностных
11. ЯДОХИМИКАТЫ И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД
ззз
ЗАХОРОНЕНИЕ ОПАСНЫХ ОТХОДОВ В ПОВЕРХНОСТНЫХ ПРУДАХ
ТЕОРИЯ
Отходы,растворен-
ные в больших коли-
чествах воды,поме-
щают в пруды; вода
испаряется,а отхо-
ды концентрируются
и могут храниться
неопределенно долго.
ПРАКТИКА
1 .Утечки в трубопроводах.
2 . При сильных дождях
случаются разливы.
З .Дно хранилища плохо
изолировано: нет
пластиковой выстилки
или слоя глины.
4 .Пластиковая выстилка
растрескалась от моро-
за или от времени.
б.Многие опасные отходы -
летучие.Они могут испа-
ряться и распростра-
няться в окружающей
среде.
Рис. 11-6. Поверхностные пруды-недорогой
способ размещения больших объемов слабо
загрязненных стоков. Предполагается, что
с поверхности испаряется только вода, а отхо-
ды концентрируются и долгое время накапли-
ваются в пруду. Слева перечислены меры
предосторожности, повышающие надежность
этого метода. Часто они не соблюдаются, но
и без того все равно остается определенный
риск
вод заметно улучшилось, значительно
увеличилась опасность загрязнения грун-
товых вод. Почему это произошло, Вы
поймете, когда мы обсудим методы за-
хоронения отходов.
Способы захоронения
Существуют три способа захоронения
отходов: (1) в глубоких колодцах, (2) в
особых прудах, (3) в могильниках. Даже при
«идеальных» мерах предосторожности
есть определенный риск, что все эти спо-
собы приведут к загрязнению грунтовых
вод. Хуже того, меры предосторожности
редко принимались, поэтому загрязнение
грунтовых вод стало неизбежным.
Глубокие колодцы
В настоящее время около 57% опасных
отходов размещают в глубоких колодцах.
Это предусматривает бурение скважины
до слоя сухого пористого материала, рас-
положенного ниже уровня грунтовых вод
(рис. 11-5). Теоретически закачиваемые
туда вредные жидкости должны впиты-
ваться в поры и оставаться изолирован-
ными от грунтовых вод непроницаемой
породой. Однако нельзя гарантировать
отсутствие в ней трещин. На практике они
могут вызываться даже напряжениями в
процессе закачивания отходов. Кроме то-
го, как показано на рис. 11-5, они могут
попасть в грунтовые воды и другими пу-
тями.
Поверхностные пруды
Еще 38% вредных отходов размещают
в специальных прудах. Это наименее доро-
гостоящий способ избавления от больших
объемов сточных вод (например, про-
мышленных) с относительно низкой кон-
центрацией опасных веществ. Их сливают
в ямы с облицованными стенками, чтобы
A
ТЕОРИЯ
Отходы тщательно
упакованы, чтобы пред-
отвратить смешивание
реагентов. Могильник
покрыт слоем водоне-
проницаемой глины,
чтобы не было инфильт-
рации. Дно изолировано
и оборудовано дренаж-
ной системой для улав-
ливания и отвода воз-
можных утечек.Сква-
жины для мониторинга
Обеспечивают надеж-
ный контроль.
ЗАХОРОНЕНИЕ ОПАСНЫХ ОТХОДОВ В МОГИЛЬНИКАХ
ПРАКТИКА
1.3емлерои могут нару-
шить покрытие.
2.В результате промер-
зания овлицовка
нарушается.
З.Возможные ошибки
в хранении приводят
к смешиванию реаген-
тов и взрывам.
4.Химикаты разъедают
дренажные трувы и
снижают эффектив-
ность их действия.
5. Вытекающие отходы
минуют систему
мониторинга.
Отходы могут оставаться опасными в течение тысяч
лет, а даже самые надежные по конструкции хранилища
иногда дают утечку через несколько месяцев
Рис. 11-7. А. Строительство могильника для
опасных отходов в Алабаме (Нанси-Шут). Б.
Слева перечислены меры предосторожности,
делающие этот метод захоронения более
надежным. Часто они недостаточно тщательно
соблюдаются, но, даже если все правильно,
остается определенный риск (с изменениями
с рисунка Rick Farrell, copyright. All rights
reserved)
11. ЯДОХИМИКАТЫ И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД
335
твердые вещества оседали на дно, а вода
испарялась (рис. 11-6). Если изоляция дна
надежная и поступление стоков не пре-
вышает испарения, такие хранилища могут
действовать неограниченно долго. Однако
отходы могут просочиться в грунтовые
воды, при сильных ливнях не исключены
разливы, а летучие вещества, например
органические растворители, испаряются в
атмосферу, усугубляя проблему загрязне-
ния воздуха (см. гл. 12) и выпадая с осад-
ками в других местах.
Могильники
Когда опасные отходы находятся в
концентрированной форме, их обычно по-
мещают в контейнеры и закапывают в
могильники. Если они правильно сплани-
рованы, надежно изолированы и оборудо-
ваны средствами для улавливания возмож-
ных утечек (см. рис. 11-7), такой способ
считается безопасным. Однако, как отме-
чено на рисунке, любая изоляция может
выходить из строя. Многие' специалисты
считают утечку ядовитых веществ даже из
самых надежных хранилищ лишь вопро-
сом времени.
Проблемы, связанные
с захоронением
При захоронении отходов возникают
две проблемы. Необходимо убедиться в
том, что они, во-первых, попали в нужное
место, а во-вторых, что они там и оста-
лись, т. е. хранилища должны быть пра-
вильно построены, заполнены и изолиро-
ваны. Обе проблемы четко обозначились
в 1970-е гг.
«Полуночные свалки»
Когда Акт о чистой воде ограничил
сброс химических отходов в реки и канали-
зационные системы, многие фирмы ока-
зались без альтернативных способов их
размещения. Что им оставалось делать?
Когда множество контейнеров с вредонос-
ными отходами стало «таинственным об-
разом» появляться на заброшенных скла-
Рис. 11-8. «Полуночная свалка». В прошлом
огромные количества опасных отходов свали-
вали и бросали без всяких мер предосторож-
ности. Часто это делали под покровом темно-
ты, чтобы скрыться незамеченными, поэтому
появился термин «полуночные свалки». Тысячи
таких свалок разбросаны по всей стране (Mark
Shern лп/Bruce Coleman, Inc.)
дах, пустых автостоянках или муници-
пальных свалках, где их размещение также
запрещено, стало понятно, что ситуацией
воспользовались темные личности. Они
предлагали за плату помочь избавиться от
отходов, а на деле попросту прикармани-
вали деньги, оставляя ядовитые химикаты
в первом попавшемся месте (часто -
ночью), и исчезали без следа. Привлечь
кого-либо к ответственности было невоз-
можно. Такая практика получила название
«полуночных свалок» (рис. 11-8). Некото-
рые компании просто складировали отхо-
ды на своих территориях, что тоже хорошо
не кончалось (рис. 11-9).
336
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Л
11. ЯДОХИМИКАТЫ И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД
337
Рис. 11-9. Небезопасное скопление ядовитых
отходов. Помимо «полуночных свалок» су-
ществует множество почти или совершенно не
приспособленных мест, где хранятся такие
отходы. Тысячи таких хранилищ представляют
собой серьезную опасность для грунтовых вод.
А. Опасные отходы хранятся в бочках недалеко
от Чатфилдского водохранилища (Денвер,
Колорадо) (Kent, Donna/Photo Researchers). Б.
Очистка хранилища фирмой «Кемикл Менедж-
мент» Элизабет (Нью-Джерси) (с любезного
разрешения J.B. Moore, СН2М HILL)
Небезопасные хранилища
К сожалению, многие легальные мо-
гильники, сточные пруды и колодцы были
построены без соблюдения необходимых
мер предосторожности. Пример канала
Лав продемонстрировал общественности,
насколько это безрассудно. Канал Лав-
это заброшенное русло ка£Мла недалеко
от Ниагарского водопада. В 1930-е и
1940-е гг. он служил удобным местом за-
хоронения тысяч контейнеров с ядовиты-
ми отходами - всего свыше 20000 т. После
заполнения и засыпания этого хранилища
землю передали городу Ниагара. На быв-
шем берегу русла построили дома и школу,
а над погребенными химикатами устроили
стадион. Годами родители замечали, что
дети, посещавшие эту школу и сталкивав-
шиеся с «черной гадостью», сочившейся из
земли, страдали разными болезнями-от
химических ожогов и сыпи до серьезных
физиологических и нервных нарушений.
Еще большее беспокойство у жителей вы-
зывали участившиеся случаи выкидышей
и врожденных дефектов. В одном районе из
16 новорожденных у девяти были аномалии,
хотя в среднем они встречаются у одного
из сотни. Ситуация разъяснилась в 1978 г.,
когда наконец появились представители
здравоохранения и обнаружили, что «чер-
ная гадость» - смесь различных хлорсодер-
жащих углеводородов, как известно, вы-
зывающих врожденные дефекты и другие
нарушения у лабораторных животных.
Властям Ниагары были предъявлены
медицинские иски на сумму около 3 млрд,
долларов, в несколько сотен раз превы-
шающую годовой бюджет города; около
600 семей потребовали переселения за счет
штата. Со временем он выделил на эти
цели около 100 домов, но для большинства
людей хлопоты окончились ничем.
Параллельно с инцидентом на канале
Лав отмечались многочисленные менее
опасные случаи загрязнения грунтовых вод
ядовитыми отходами. Множество таких
фактов было обнаружено лишь после того,
как люди долгое время сталкивались с
«необъяснимыми» заболеваниями. Хотя
все это не получило такой широкой ог-
ласки, как случай на канале Лав, постра-
давшим было ничуть не легче.
Масштабы проблемы
Поразительно, но до середины 1970-х гг.
никто всерьез не интересовался, сколько
и каких отходов образуется и куда они
попадают. Никто не учитывал, что захо-
роненные отходы могут загрязнять грун-
товые воды и тем самым угрожать здо-
ровью людей. Однако после обнаружения
«полуночных свалок», истории с каналом
Лав и других случаев загрязнения грунто-
вых вод ядовитые отходы очень скоро
стали одной из важнейших проблем
общества.
В настоящее время, по оценкам Агент-
ства охраны окружающей среды (ЕРА),
США производят около 150 млн. опасных
отходов в год (приблизительно две трети
тонны на человека), причем в конце 1970-х
гг. почти 90% их размещалось в ненадеж-
ных хранилищах. Например, могильники
не были изолированы или оборудованы
системами для улавливания утечек; уста-
новлено, что некоторые из них загрязняли
отходами грунтовые воды. В прудах дно не
облицовывалось надежным покрытием.
Были обнаружены глубокие колодцы, в
которых отходы захоранивались выше во-
доносного горизонта или непосредственно
в нем. Даже в новых хранилищах, соору-
женных специально для ядовитых отходов,
ЕРА не обнаружило систем мониторинга,
пригодных для выявления возможных уте-
чек.
Поражает количество таких мест не-
правильного хранения. В 1987 г. Институт
мировых ресурсов подсчитал, что только
в США существует 75 000 промышленных
338
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
могильников, 180000 поверхностных пру-
дов и 200 иных специальных сооружений,
являющихся вероятными источниками за-
грязнения грунтовых вод. В большинстве
случаев загрязнены относительно неболь-
шие площади, до 200 акров. Тем не менее,
если ядовитые вещества будут продолжать
распространяться из этих хранилищ, за-
грязнению подвергнутся значительные
объемы грунтовых вод. В результате почти
в каждом штате уже закрыты тысячи част-
ных колодцев и несколько крупных муни-
ципальных водозаборных скважин. В
Лос-Анджелесе из-за этого не работают
семь скважин-пока не появятся очистные
сооружения. Более того, во многих горо-
дах в питьевой воде содержатся синтети-
ческие органические соединения. Обычно
очень низкие их концентрации считаются
безвредными, однако, учитывая проблему
биоаккумуляции, установить допустимый
уровень трудно.
Обезвреживание ядовитых
отходов и контроль за ними
Из сказанного выше вытекает, что у
проблемы ядовитых отходов четыре важ-
нейших аспекта:
- необходимость обезопасить запасы
воды для питья и орошения;
- обезвреживание тысяч существующих
хранилищ, представляющих угрозу для
грунтовых вод;
- восстановление качества загрязнен-
ных грунтовых вод;
-разработка эффективных способов
хранения и удаления опасных отходов, по-
лучаемых в настоящее время и планируе-
мых в будущем.
Во всех четырех направлениях уже
достигнут значительный прогресс.
Обеспечение безопасности
источников питьевой воды
Для защиты населения от угрозы за-
грязнения питьевой воды ядовитыми ве-
ществами Конгресс принял в 1974 г. Акт
о безопасности питьевой воды. Установле-
ны предельно допустимые концентрации
в ней загрязнителей, введен мониторинг
муниципальных источников водоснабже-
ния. В случае обнаружения ядовитых ве-
ществ источник может быть закрыт до
принятия мер по его очистке. Этот закон
требует также надежного размещения и
оборудования хранилищ отходов.
Рис. 11-10. Когда серьезно загрязнены источ-
ники воды, бывает, что остается только
забросить собственность, даже если это разо-
рительно (фото Thomas Busier). Надпись на
щите: «Переехали. Вода отравлена»
11. ЯДОХИМИКАТЫ И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД
339
Однако остаются три основные про-
блемы. Во-первых, не предусматривается
систематический мониторинг частных ко-
лодцев. Поэтому загрязнение грунтовых
вод редко обнаруживают раньше, чем лю-
ди начинают страдать от «необъяснимых»
заболеваний или замечают «странный»
вкус и запах воды. Затем, даже после ана-
лиза воды, подтвердившего присутствие
синтетических органических соединений,
меры могут и не приниматься, так как для
многих веществ не установлено «опасной»
и «безопасной» концентраций. Наконец,
закрыть колодец-едва ли решение про-
блемы, ведь надо доставать воду где-то
еще или заниматься очисткой, а это иногда
слишком дорого (рис. 11-10). Ясно только,
что необходим более всеобъемлющий
контроль за состоянием воды для выяв-
ления и устранения источников ее за-
грязнения.
Очистка существующих
хранилищ
Начало государственной программы
учета и очистки существующих хранилищ
для отходов положило принятие в 1980 г.
Акта о всеобщей ответственности перед
природой, компенсации ущерба и подчи-
нении экологическим требованиям, из-
вестного под названием Суперфонд. За
счет налогов на химическое сырье этот
закон привел к созданию за период 1980
1985 гг. фонда в 1,6 млрд, долларов для
обнаружения и очистки мест, представ-
ляющих собой угрозу для грунтовых вод.
Однако Агентство охраны окружающей
среды (ЕРА), руководившее данной про-
граммой в течение первых пяти лет, не
оправдало надежд.
Многие понимали, что по меньшей
мере 10-15 тысяч хранилищ требуют не-
медленного ремонта для предотвращения
серьезного загрязнения грунтовых вод.
Однако включение объекта в «список
Суперфонда», т. е. официальный перечень
мест, подлежащих очистке за счет этой
программы, требовало много времени,
сил, а то и интриг. Таким образом, в
список попало не более 10% хранилищ,
нуждавшихся в ремонте, причем некото-
рые были из него изъяты. И даже после
этого, к 1987 г. было очищено лишь с
десяток объектов. ЕРА обвинили в том,
что оно действует «на дюйм в ширину
и на милю в глубину», т. е. некоторые
хранилища очень тщательно изучаются
и очищаются, а на остальные не обра-
щается внимания. ЕРА как бы перекиды-
вает ядовитые отходы с места на место,
оттягивая кардинальное решение пробле-
мы на неопределенное время.
В результате принятия Акта о реорга-
низации Суперфонда (SARA) в 1986 г.
Конгрессу удалось увеличить его до
8,6 млрд, долларов и продлить срок его
действия еще на пять лет. До сих пор
остаются открытыми вопросы о том, ка-
кие хранилища подлежат ремонту в пер-
вую очередь, насколько хорошо прово-
дится очистка, что делать с изъятыми
отходами. Тем не менее увеличение фонда
позволяет надеяться на дальнейший про-
гресс в этом направлении.
Восстановление качества
грунтовых вод
Раньше считалось, что если грунтовые
воды загрязнены, то они утрачены прак-
тически навсегда, так как способов очист-
ки водоносных горизонтов не существует
и требуются сотни лет для вымывания из
них отходов. К счастью, не все в это
верили. Недавно разработана новая тех-
нология восстановления качества грунто-
вых вод, которая теперь широко распро-
страняется. В общих чертах она преду-
сматривает бурение скважин, откачку за-
грязненных грунтовых вод, их очистку на
химических поглощающих фильтрах и за-
качивание обратно в водоносный гори-
зонт (рис. 11-11). Если речь идет о био-
деградирующих органических соедине-
ниях, в зараженный участок можно по-
дать кислород и микроорганизмы, кото-
рые питаются загрязняющими вещества-
ми и уничтожают их, как и на этапе
вторичной очистки канализационных сто-
ков. Восстановление качества грунтовых
вод хорошо применимо на относительно
небольших пространствах, например при
утечках с бензоколонок.
340
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Передвижное вакуумное
очистное устройство
Резервуар для
топлива
о£> oOJo000°0
оо%о°°°°°
0OOOvv^
>goeOOOVn6
’•’Растворенные
‘. .углеводороды.
Б
Контроль за отходами,
получаемыми в настоящее
время
Акт о чистой воде
Акт о чистой воде остается краеуголь-
ным камнем экологического законода-
тельства. Он устанавливает предельно
допустимые концентрации различных за-
грязнителей в сточных водах. Однако
найти компромисс между идеалом, т. е.
отсутствием загрязнения, и реально су-
ществующей экономикой непросто. Если
от фирмы потребовать немедленно пре-
Рис. 11-11. Восстановление качества грунтовых
вод. А. Типичное подповерхностное загрязне-
ние в результате утечки углеводородов, напри-
мер бензина. Б. После ее устранения остатки
углеводородов и их пары из почвы и с поверх-
ности грунтовых вод устраняются методом
вакуумной экстракции, чтобы предотвратить
распространение загрязнения. В. Загрязненные
грунтовые воды откачивают и очищают. На
фотографии изображены вакуумный экстрак-
тор (серебристый ящик) и водно-паровой
сепаратор (белый бак) (с любезного разреше-
ния Terra Vac., Inc., Сан-Леандор, Калифорния)
11. ЯДОХИМИКАТЫ И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД
341
кратить загрязнение среды, она может
просто закрыться и оставить без работы
всех своих сотрудников. Вместо этого
Акт о чистой воде допускает выдачу вре-
менных разрешений: Вы продолжаете за-
грязнять среду, но обязаны сократить
выбросы до количества X к дате Y. Таким
образом, улучшение обстановки происхо-
дит за определенный срок, не нанося серь-
езного урона экономике. План сокраще-
ния загрязнения вырабатывается в про-
цессе переговоров между фирмой и ЕРА
или эквивалентным органом штата. За
невыполнение плана может быть наложен
штраф, но не исключено и позднейшее
внесение поправок в срок.
Понятно, все это не так просто. Если
правительство слишком нерешительно,
как было во времена Рейгана, оно слиш-
ком щедро раздает временные разреше-
ния и продлевает их бесконечно. Во-
вторых, мониторинг еще поставлен слабо,
и многие нарушения закона проходят не-
замеченными. В-третьих, компаниям
иногда дешевле заплатить штраф, чем
бороться с загрязнениями. Наконец, не-
большие фирмы, частные дома и фермы
законом не охватываются. Таким обра-
зом, несмотря на достигнутый прогресс,
значительные количества ядовитых отхо-
дов все еще попадают в окружающую
среду, многие водоемы остаются сильно
загрязненными, а это влечет за собой
тяжелые экологические последствия (см.
пример в конце главы). Гибель тюленей
в Северном море, по-видимому, объясня-
ется синергическим взаимодействием ядо-
витых отходов и болезнетворных орга-
низмов. Во многих районах у рыбы на-
блюдаются раковые опухоли и другие
отклонения.
Акт об охране и восстановлении
ресурсов
В ответ на возникновение «полуноч-
ных свалок» и размещение отходов в не-
приспособленных хранилищах Конгресс
принял в 1976 г. Акт об охране и вос-
становлении ресурсов (RCRA). Он требует
учета типов и количеств опасных отходов
от места их происхождения до участка
окончательного захоронения, так сказать,
«от колыбели до могилы». Более того, на
все могильники и другие хранилища ядо-
витых отходов надо получить разрешение,
т. е. их конструкция и работа должны
соответствовать существующим стандар-
там. Наконец, ответственность за вредные
отходы с их производителя не снимается,
т. е., если они вызовут в будущем пробле-
мы, компания обязана их устранить. Это
предупреждает ситуацию, когда компания
А передает своих отходы компании В, та
прекращает существование, и никто не
в ответе.
После утверждения RCRA многие хра-
нилища, принимавшие ядовитые отходы,
были закрыты или переведены в разряд
требующих ремонта в рамках Суперфон-
да. При этом было открыто очень мало
новых объектов, удовлетворяющих всем
стандартам в отношении систем изоля-
ции, улавливания утечек и мониторинга.
В результате произошел «кризис» в раз-
мещении ядовитых отходов. За неимени-
ем лучших мест компаниям опять разре-
шили направлять их в неприспособленные
хранилища (особенно принадлежащие
тому же владельцу), пользуясь уже опи-
санной системой временных разрешений.
Комиссия, созданная Конгрессом, устано-
вила в 1983 г., что из 8000 хранилищ всем
требованиям удовлетворяли только 24.
С другой стороны, значительные ко-
личества вредных или ядовитых отходов,
а также пестицидов могут оставаться не-
замеченными, так как закон не распро-
страняется на фирмы, производящие ме-
нее 100 кг таких продуктов в месяц, а
также на частные дома и фермы. Канали-
зационный ил также не принимается во
внимание, хотя он может быть сильно
загрязнен, если промышленные предприя-
тия продолжают сбрасывать ядовитые
отходы в канализацию. Согласно Акту
о чистой воде, такой сброс должен быть
прекращен, но он все еще производится
либо по временным разрешениям, либо
нелегально.
Пока федеральное законодательство и
ЕРА действуют не очень решительно, не-
которые штаты установили гораздо более
строгие требования. Например, калифор-
342
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 11-12. Большинство самых трагических,
связанных с «загрязнением среды» происшест-
вий происходит в результате аварий и/или
беспечности. Утечка метилцианата в 1984 г.
в Бхопале (Индия) на пестицидном предприя-
тии привела к гибели 3300 человек; еще около
20 000 стали инвалидами, в том числе ослепли
(Copyright Baldev-Sygma)
нийские законы предусматривают для
лиц, обвиняемых в нелегальном хранении
ядовитых отходов, не просто штрафы,
а тюремное заключение.
Однако некоторые компании до сих
пор стараются обойти закон. Недавно
появился новый вид «полуночных сва-
лок». Ядовитые отходы с фальшивыми
документами под видом промышленной
продукции или сырья отправляют в раз-
вивающиеся страны, где люди, не подо-
зревающие об их опасности, соглашаются
устраивать хранилища за ничтожную
плату без необходимых мер предосто-
рожности. Кроме того, многие фирмы
вывозят целые производства туда, где
контроль за загрязнением, меры безопас-
ности и охрана труда гораздо слабее или
отсутствуют вовсе. В результате многие
города и реки в странах Третьего мира
приобретают печальную известность са-
мых загрязненных в мире. В 1984 г. в
Бхопале (Индия) на заводе фирмы «Юни-
он Карбайд», производящем пестициды,
произошла утечка чрезвычайно ядовитого
газа метилизоцианата. Более 2000 людей
погибло сразу же, когда он распро-
странился над жилой частью города
(рис. 11-12). Еще 1300 человек умерло
позднее, а более 20000 остались инвали-
дами; многие ослепли.
Согласно SARA-Акту, определяюще-
му права общественности на информацию,
компании обязаны вести записи и докла-
дывать о суммарных объемах учетек и
выбросов ядовитых веществ, даже если
они не превышают уровней, допускаемых
Актами о чистой воде и чистом воздухе.
Ранее требовалось лишь соблюдать пре-
дельно допустимые концентрации ве-
ществ в выбросах, их суммарные объемы
(концентрация х объем х время утечки)
нс рассчитывались. Впервые обобщив эти
данные в 1989 г., Агентство охраны окру-
жающей среды получило поразительные
результаты. Оказалось, что около
13,5 млрд, фунтов1 ядовитых отходов в
1 1 фунт « 453,6 г.
11. ЯДОХИМИКАТЫ И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД
343
год до сих пор легально выбрасывается
в окружающую среду без всякого контро-
ля, в том числе 2,5 млрд, фунтов в воздух,
а остальное-в воду и на землю. Это
составляет более 50 фунтов на человека
в год. Очевидно, что мириться с этим
нельзя, и требуется дальнейшее ужесто-
чение стандартов и законов.
Есть и конструктивные предложения,
приводимые ниже.
Контроль за ядовитыми
отходами в будущем
Широко признано, что даже в своем
наилучшем варианте захоронение ядови-
тых отходов - это временное решение, так
как время существования ядовитых веще-
ств неизбежно превышает срок службы
изолирующих барьеров. Известны аль-
тернативы этому подходу.
Сокращение объема, преобразование
и рециклизация отходов
Строгие требования, предъявляемые к
современным хранилищам ядовитых от-
ходов, наблюдение за ними с момента
возникновения до захоронения и нескон-
чаемая ответственность за их дальней-
шую судьбу требуют от компаний круп-
ных расходов и заставляют искать воз-
можности сокращения объема отходов,
если не из этических, то из чисто эконо-
мических соображений.
Здесь два основных подхода. Один
состоит в усовершенствовании или изме-
нении производственного процесса таким
образом, чтобы сократился объем ядови-
тых побочных продуктов. Во многих слу-
чаях удается изыскать их безопасные за-
местители. Вторая возможность-извле-
чение и рециклизация ядовитых веществ
из отходов. Это особенно хорошо подхо-
дит для тяжелых металлов, которые
можно выделить из стоков при помощи
многих химических реакций, очистить и
использовать.
Для поддержки рециклизации и реути-
лизации в некоторых штатах работают
биржи отходов. При помощи выпускае-
мых всеми компаниями списков можно
обнаружить, не требуются ли отходы од-
ной фирмы другой. Например, во многих
случаях зола служит прекрасным сырьем
для производства кирпичей и керамичес-
ких изделий.
Сжигание
Большинство синтетических (и при-
родных) органических соединений хорошо
горит. Даже некоторые огнеупорные
хлорсодержащие углеводороды разлага-
ются под действием кислорода до угле-
кислого газа, воды и безвредных соедине-
ний хлора. Вопрос только в длительности
и температуре процесса в печах.
Печи для обжига цемента обладают
необходимыми для этого свойствами. В
результате большинство цементных заво-
дов освоили теперь второе их назначе-
ние-как средство борьбы с опасными от-
ходами. Их смешивают с обычным топли-
вом и подают в печи; разрушаясь, они
одновременно дают тепло. Зола, в кото-
рой могут остаться ядовитые компонен-
ты, смешивается с цементом, который
служит для нее надежным «контейнером».
Кроме того, многие компании уже
построили или строят специальные кре-
матории, предназначенные для химичес-
ких отходов (рис. 11-13). К несчастью,
такие инициативы часто встречают сопро-
тивление общественности, усматриваю-
щей в этих сооружениях «угрозу отравле-
ния». Люди не понимают, что их действия
усугубляют гораздо большую опасность
накопления ядовитых веществ в непри-
способленных могильниках, прудах и
глубоких колодцах.
Биодеградация
Как уже упоминалось выше, синтети-
ческие органические соединения известны
своей неспособностью поддаваться био-
логическому разложению. Тем не менее
постепенно обнаруживаютя бактерии,
способные хотя и медленно, но разрушать
их. Эти организмы сейчас «улучшают»
с помощью методов селекции, в принципе
сходных с используемыми при разведении
сельскохозяйственных растений и живот-
344
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
11. ЯДОХИМИКАТЫ И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД
345
Рис. 11-13. Сжигание опасных отходов-все
чаще применяемый способ избавления от них.
При соответствующей температуре и длитель-
ности сжигания органические соединения раз-
рушаются практически полностью. На снимке
изображена печь для высокотемпературного
окисления в Рубаке (Южная Каролина). Про-
цесс предусматривает рекуперацию тепла,
удаление взвесей и улавливание кислотных
газов, что позволяет уничтожать широкий
спектр жидких отходов. Используются замкну-
тый цикл и компьютерный контроль, позво-
ляющие убедиться, что отходы полностью
уничтожены в экологическом смысле этого
слова (с любезного разрешения Thermal Oxida-
tion Corporation, Рубак, Южная Каролина)
ных, так что вскоре не исключено появле-
ние «пород» микроорганизмов, эффектив-
но разрушающих синтетические органи-
ческие отходы. При обработке их можно
использовать системы, аналогичные тем,
которые применяются при вторичной
очистке канализационных стоков (см.
гл. 10).
Снижение профессионального
и случайного риска
Опасность загрязнений окружающей
среды ядовитыми веществами нельзя не-
дооценивать, так как контакт с многими
из них на протяжении практически всей
жизни чреват непредсказуемыми послед-
ствиями. Однако до сих пор наиболее
тяжелые несчастные случаи, приводящие
к заболеваниям и гибели людей, связаны
с профессиональным риском (работой с
и рядом с отравляющими веществами).
Что делается для улучшения ситуации
в этой области?
Право на информацию
Управление по профессиональной бе-
зопасности и здравоохранению (OSHA)
следит за соблюдением техники безопас-
ности и чистотой воздуха. До сих пор
существуют значительные затруднения
из-за того, что люди плохо информирова-
ны о природе и опасности материалов,
с которыми они работают. До недавнего
времени они и не могли этого узнать.
Работодатели имели право не сообщать
им о профессиональном риске и часто
утаивали подобную информацию. Но с
принятием III параграфа Акта о реорга-
низации Суперфонда от 1986 г. (SARA),
который обычно называют «правом на
информацию», ситуация изменилась.
Согласно этому закону, работодатели
обязаны предоставлять сведения о про-
фессиональном риске как минимум в пе-
чатном виде. Однако за ознакомление
с такой информацией отвечают сами
работники.
Срочные действия при авариях
и несчастных случаях
Поскольку современное общество ис-
пользует все больше количеств и типов
ядовитых веществ, все вероятнее стано-
вятся ошибки и случайности, которые мо-
гут привести к широкомасштабным ката-
строфам. Примером служит упомянутая
выше трагедия в Бхопале (Индия). Еще
один случай произошел в 1973 г. в Мичи-
гане, когда несколько мешков с пламяга-
сящим веществом спутали с кормовыми
добавками для скота. Животные получи-
ли совсем небольшие его дозы. Но само
вещество оказалось чрезвычайно устой-
чивым, биоаккумулируемым галогениро-
ванным углеводородом - полибромиро-
ванным бифенилом (ПББ), в пять раз
более ядовитым, чем печально известные
ПХБ. В результате множество людей, в
основном в семьях фермеров, питаясь до-
машними молоком, мясом и яйцами,
стали страдать нервными нарушениями
различной степени. Когда удалось уста-
новить их причину, были закрыты на
карантин около 500 ферм; 30 тыс. голов
крупного скота, 1,5 млн. кур, тысячи овец
и свиней, тонны молока, сыра и яиц приш-
лось уничтожить из-за непригодности в
пищу. Ущерб оценивался в 100 млн. дол-
ларов без учета медицинских компенса-
ций. Более того, загрязняющее вещество
так и осталось в экосистеме Мичигана.
Через несколько лет после этого проис-
шествия еще наблюдались отдельные слу-
чаи отравления ПББ из «неизвестных ис-
точников» в результате его биоаккуму-
ляции.
Еще в одном случае пришлось эвакуи-
346
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 11-14. Жителей Таймс-Бич (Миссури)
пришлось эвакуировать, а город-разрушить,
когда выяснилось, что дороги обрабатывались
нефтепродуктами, загрязненными диоксином,
а наводнение распространило это ядовитое
вещество по всему городу (Агентство охраны
окружающей среды)
ровать целый город Таймс-Бич (Миссури)
и уничтожить все его постройки, так как
выяснилось, что пыльные дороги опры-
скивали отработанными нефтепродукта-
ми, содержащими диоксин, а наводнение
распространило этот яд по всему городу
(рис. 11-14).
Особенно часты несчастные случаи с
транспортными средствами. В течение го-
да около 4 млрд, вредных веществ, в том
числе топливо, химическое сырье, хлор
для дезинфекции воды, а также ядовитые
отходы, перевозятся по шоссе, железным
дорогам и водными путями США. Мно-
жество аварий с танкерами, груженными
ядовитыми веществами, требовало эваку-
ации местного населения. Специалисты
считают, что, если такие аварии и не
приводили к многочисленным жертвам.
это скорее результат везения, чем хоро-
шей организации.
Но многое делается и здесь. В Де-
партаменте транспорта (DOT) существу-
ют подробные предписания, касающиеся
видов контейнеров и упаковок, допусти-
мых при перевозках различных опасных
материалов. Это должно уменьшить риск
утечек, пожаров, образования ядовитых
дымов и других последствий аварий.
С другой стороны, их необходимо
предупреждать. Правила DOT предписы-
вают ставить на каждом контейнере, гру-
зовике или вагоне стандартный знак, пре-
дупреждающий об опасности находяще-
гося внутри вещества (воспламеняемость,
едкость, образование ядовитых дымов и
т. д.). Пожарные и полицейские отделения
все чаще создают группы «быстрого реа-
гирования» (рис. 11-15) из специально
обученных людей, которые знают о воз-
можных опасностях, связанных с каждым
типом веществ, и умеют защитить от них
себя и окружающих. Например, можно ли
тушить данный пожар водой (от сопри-
косновения с ней определенные вещества
взрываются) или следует воспользоваться
пенным огнетушителем? На какое рас-
И. ЯДОХИМИКАТЫ И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД
347
Рис. 11-15. «Быстрое реагирование». При
полицейских и пожарных участках существуют
такие группы, обученные срочным действиям
при авариях с опасными веществами. На
фотографии изображены учения; команда
устраняет последствия имитированного столк-
новения железнодорожной цистерны с газо-
образным хлором и автоцистерны со спиртом
(фото автора)
стояние следует удалить людей, чтобы
обеспечить их безопасность? Какие сред-
ства индивидуальной защиты (противога-
зы, резиновые костюмы) необходимы?
Прибыв на место аварии, такая группа
сразу же оценивает опасность и, если это
необходимо, надевает защитные костюмы
и начинает действовать.
Законы, касающиеся вредных отходов,
обобщены на рис. 11-16.
Что Вы можете сделать
Следует понимать, что, хотя современ-
ные технологии позволяют сократить и
даже исключить использование некото-
рых материалов, вредные и ядовитые от-
ходы полностью никогда не исчезнут.
Единственный выход здесь - разумная ор-
ганизация дела. Она начинается с выявле-
ния, использования и хранения ядовитых
веществ дома, в школе и на рабочем
месте. Обращайте внимание на наклейки
и предупреждающие знаки, требуйте ин-
формацию о незнакомых материалах.
Старайтесь как можно меньше использо-
вать составы, содержащие тяжелые ме-
таллы и хлорированные углеводороды, не
выливайте их остатки в раковины и
унитазы.
Как Вы можете способствовать сокра-
щению выбросов ядовитых отходов, на-
рушающих Акты о чистой воде или об
охране и восстановлении ресурсов
(RCRA)? Поправки к первому из них,
принятые в 1977 г., предоставляют груп-
пам граждан право обращаться в феде-
ральный суд с иском против нарушителей.
Фирмы будут обязаны прекратить неза-
конные действия, уплатить штраф и воз-
местить судебные издержки истцам. Груп-
пы исследования общественных интересов
348
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
о чистом воде)
(вает сброс
?мы
SDWA (Акте Безопасности
питьевой воды) устанавливает
стандарты по питьевой воде
печивают Безопасность
перевозок
САА (Акт о чистом воздухе)
ограничивает выбросы
в воздух
Правила вот (департа-
мента транспорта) овес
osha (Акт о профессии.
Безопасности и здравоохранении)
защищает жизнь и здоровье
трудящихся
tsca (Акт о контроле над
{токсичными веществами)
требует, чтобы новые
химикаты были везопас
ними при указанном
типе применения
RCRA (Актов охране и восстанов-
лении ресурсов) обеспечивает раз-
мещение отходов в надежных
хранилищах
Рис. 11-16. Законы, регламентирующие обра-
щение с опасными веществами. На рисунке
проиллюстрированы основные правила, свя-
занные с защитой рабочих, граждан и окру-
жающей среды от таких веществ
(PIRG), работающие примерно в двадца-
ти штатах, осуществляют программу
«прогулки по берегу», в рамках которой
обучают жителей отмечать и определять
признаки загрязнения водоемов ядови-
тыми веществами (изменение цвета воды,
масляные пятна, странные запахи). Если
подозрения подтверждаются и удается об-
наружить источник отходов, они обра-
щаются в соответствующие учреждения
штата с просьбой произвести очистку.
Если желаемая реакция не последовала,
можно предъявить иск. Вступите в вашей
местности в такую группу или сформи-
руйте ее (см. приложение А). Эти же
группы могут предъявлять иск админи-
страции штата, если та слишком нетре-
бовательна при выдаче временных раз-
решений.
Узнайте, как компании в вашей мест-
ности распоряжаются ядовитыми отхода-
ми. Согласно Акту об охране и восста-
новлении ресурсов (RCRA), в каждой из
них должен быть специальный человек,
ответственный за такую работу. Добей-
тесь встречи с этим человеком и попроси-
те его предоставить соответствующую
информацию. Достаточно ли надежны
хранилища отходов, чтобы источники во-
ды не подвергались опасности? Группы
нередко добивались успеха, заставляя
компании улучшить состояние дел в этой
области. Только не выступайте по инер-
ции против сооружения новых печей для
сжигания ядовитых отходов. Вашей груп-
пе следует проконсультироваться с неза-
висимым специалистом и убедиться, обо-
рудованы ли эти предприятия соответ-
ствующими приспособлениями, предупре-
ждающими загрязнение воздуха. Однако
обычно сжигание ядовитых органических
отходов гораздо безопаснее для окружаю-
щей среды, чем любые формы их захо-
ронения.
Наконец, от Вашего внимания не
должно ускользнуть, что избавление от
вредных отходов, очистка их хранилищ,
восстановление качества грунтовых вод
и оказание срочной помощи при авариях -
это растущие области экономики, способ-
ные предложить много рабочих мест и
11. ЯДОХИМИКАТЫ И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД
349
возможности быстрого продвижения по
службе. Такую карьеру могли бы выбрать
и Вы.
Пример
Гибель китов-белух
в Канаде
Киты-белухи в реке Святого Лаврен-
тия в Канаде--одном из самых загрязнен-
ных в мире водоемов - оказались под уг-
розой вымирания, причем ученые никак
не могли установить его причину. Недав-
но в Тадуссак (Квебек) на международный
конгресс, посвященный этой проблеме,
собрались морские биологи, токсикологи
и экологи. Они не пришли к единому
мнению и расстались без оптимизма. Од-
на из возможностей, которую предполо-
жили ученые,-то, что смесь разнообраз-
ных загрязняющих веществ в реке ослаб-
ляет иммунную систему китов. Но хими-
каты могут убивать животных и сами по
себе.
Сто лет назад в реке Святого Лаврен-
тия обитало около 5000 белух. Всего лишь
50 лет назад канадское правительство
платило премию за каждого убитого кита
под тем предлогом, что они снижают
запасы рыбы. Во время второй мировой
войны пилоты на учениях использовали
белух в качестве мишени. В 1960-е гг.
массовое строительство гидроэлектро-
станций нарушило их основные естествен-
ные местообитания. Вплоть до 1968 г. на
этих китов охотились ради жира, мяса
и просто в спортивных целях. Наконец,
в 1983 г. канадское правительство во мно-
гом благодаря кампании, развернутой
ученой Леон Пиппар, объявило, что
белухам угрожает опасность.
Пиппар, живущая на одном из остро-
вов на реке Святого Лаврентия, с 1975 г.
изучала белух и боролась за их существо-
вание. «Из-за жизни в этой сточной канаве
[т. е. реке Святого Лаврентия] они, по-
видимому, стали одними из самых зара-
женных животных в мире»,-говорит
она-«Они поселились здесь 10000 лет
назад, но вот-вот исчезнут».
Теперь в реке Святого Лаврентия оста-
лось не более 400 белух, и компании,
организующие экскурсии для желающих
посмотреть на них, неплохо зарабатыва-
ют. Один из организаторов таких поездок
говорит: «Когда вы увидите кита, Ваша
жизнь изменится. Вы станете убежденным
защитником природы». В год
50000 экскурсантов платят в среднем по
37 долларов каждый за трехчасовой круиз
по реке.
Источники ее загрязнения обнаружить
трудно. Вскрытия показывают, что в ор-
ганизме белухи содержится как минимум
24 различных отравляющих вещества, в
том числе ПХБ, хлорбензол, гексахлор-
бензол, тяжелые металлы, ДДТ. У жи-
вотных обнаруживали рак мочевого пу-
зыря, фиброз легких, гепатит, переходно-
клеточную карциному, прободную язву.
Многие особи настолько отравлены ПХБ,
что после смерти по канадским законам
их туши следует обрабатывать как ядови-
тые отходы, предотвращая возвращение
отравляющего вещества в окружающую
среду.
Эти киты, которых иногда называют
морскими канарейками за издаваемые
ими щебечущие звуки, могут достигать 15
футов в длину и весить до полутонны.
В отличие от других китов белухи ни-
когда не покидают своих местообитаний
в реке Святого Лаврентия восточнее го-
рода Квебек. Такая инстинктивная при-
вязанность не позволяет им спастить от
веществ, отравляющих реку, вытекаю-
щую из Великих озер. Заменить больных
китов здоровыми особями с Аляски или
из канадской Арктики тоже невозможно,
так как те не смогут выжить в условиях
загрязнения. Канадские ученые считают,
что отравляющие вещества могут посту-
пать из любого штата США или двух
канадских провинций, расположенных на
берегах Великих озер и реки Святого
Лаврентия. По иронии судьбы про-
мышленный лов китов был почти пол-
ностью запрещен под давлением США,
тогда как гибель этих животных всего
в нескольких милях севернее границы
США, возможно, связана именно с аме-
риканскими источниками загрязнения.
Пьер Белан, вскрывший 25 белух,
350
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Белуха (W. Amler/Photo Researchers)
считает, что неопровержимых доказа-
тельств их гибели именно от загрязнения,
по-видимому, никогда не будет получено,
так как клинические исследования таких
крупных животных невозможны. «В лю-
бом случае,-утверждает он,-в среде их
обитания действует целый коктейль из
отравляющих веществ. Общественное
мнение со временем избавит нас от необ-
ходимости искать эти неопровержимые
доказательства» и заставит правительство
принять более суровые законы об охране
природы. Многие ученые считают так же.
Недавно правительства Канады и
провинции Квебек выделили более
2,4 млрд, долларов на десятилетний план
очистки реки Святого Лаврентия и созда-
ния заповедника для белух. Однако даже
такие крупные затраты могут запоздать.
Ученые на еще одной недавней конферен-
ции предупредили, что пройдет немало
лет, пока уже скопившиеся в Великих
озерах ядовитые вещества вытекут через
реку Святого Лаврентия. И даже после
этого их остатки сохранятся на дне реки.
Тем временем ученые обнаружили, что
белухи страдают от новой формы загряз-
нения-канцерогенным веществом бенз-
пиреном, выделяющимся при плавлении
алюминия. Исследования, проводимые в
Теннесси, показали накопление в тканях
их мозга огромного количества этого ве-
щества. «Нет сомнения в том, что белухи
гибнут от бензпирена»,-утверждает гене-
тик из Университета Западного Онтарио
Джозеф Камминз.
Питер Бенеш, обозреватель Службы
новостей в Лондоне.
С разрешения “United Media”
12
Атмосферное загрязнение
и борьба с ним
Раздел
I. ИСТОРИЯ ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
ВОЗДУХА.........................352
II. ОСНОВНЫЕ ЗАГРЯЗНИТЕЛИ ВОЗДУХА
И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ...............357
А. Основные загрязнители.......357
Б. Отрицательное воздействие загрязнения
воздуха на людей, растения и материа-
лы .............................358
1. Влияние на здоровье людей . . 358
2. Влияние на песа и сельское
хозяйство......................361
3. Влияние на материалы и эстетическое
качество.......................365
Пример. Влияние загрязнения воздуха
на деревья...........................378
III. ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И СТРАТЕ-
ГИИ БОРЬБЫ С НИМ...................365
А. Загрязняющие вещества:
продукты горения...............365
1. Непосредственные продукты . . 365
2. Вторичные продукты .... 365
Б. Установление стандартов .... 367
В. Основные источники загрязнения
и меры борьбы с ними...........369
1. Взвеси......................369
2. Оксиды азота, углеводороды, озон
и другие фотохимические окислители,
угарный газ....................369
3. Диоксид серы и ее кислоты . . 374
Учебные вопросы
1. Дайте определение порогового уровня, дозы.
Как пороговый уровень изменяется в за-
висимости от концентрации и времени экс-
позиции? Перечислите природные источни-
ки загрязнения воздуха. Как биосфера
справляется с ними? Как люди изменили
ситуацию? Назовите и опишите погодные
явления, которые могут обострить пробле-
мы загрязнения. Какой закон стимулиро-
вал организованную борьбу с загрязнени-
ем воздуха? Назовите четыре этапа улуч-
шения качества воздуха.
2. Перечислите основные загрязнители воз-
духа.
3. Назовите три области, в которых прояв-
ляются отрицательные последствия загряз-
нения воздуха. Перечислите эти послед-
ствия; назовите вызывающие их загрязни-
тели.
4. Расскажите, как курение усугубляет отрица-
тельные последствия загрязнения воздуха.
5. Расскажите, как образуются непосредствен-
ные и вторичные продукты горения, относя-
щиеся к основным загрязнителям воздуха.
6. Расскажите, какие обстоятельства прини-
маются во внимание при установлении
стандартов загрязнения воздуха.
7. Для всех перечисленных слева загрязняю-
щих веществ назовите основные источники
и меры борьбы. Обсудите, эффективны ли
меры, принимаемые в настоящее время.
Какие изменения необходимы, на что еще
следует обратить внимание?
352
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
4. Свинец и другие тяжелые
металлы.........................374
Г. Что Вы можете сделать .... 374
IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУХА В
ПОМЕЩЕНИЯХ..................376
8. Обсудите, что Вы можете сделать для
сохранения или улучшения качества воз-
духа.
9. Обсудите, лучше или хуже качество возду-
ха в помещении по сравнению с открытым
местом. Почему? Каковы источники за-
грязнения воздуха в помещении? Как его
можно уменьшить?
На растения, животных и людей отри-
цательно влияет загрязнение воздуха. То,
что устойчивость биосферы зависит от его
чистоты, не требует доказательств. Ниже
мы рассмотрим различные аспекты этой
проблемы, то, что уже сделано и что еще
предстоит сделать для ее решения.
История проблемы
загрязнения воздуха
Организмы способны без вреда для
себя переносить присутствие определен-
ных количеств загрязняющих веществ.
Содержание их, ниже которого болезнен-
ные реакции не наблюдаются, называют
пороговым уровнем. При больших коли-
чествах проявляются последствия для
здоровья. Они зависят как от концентра-
ции вещества, так и от длительности его
воздействия (экспозиции). При короткой
экспозиции переносимы более высокие
уровни загрязнителей, т. е. пороговые для
них значения могут быть выше при ко-
ротком воздействии и понижаться при
более длительном (рис. 12-1).
Существует несколько исключений. У
соединений, способных к биоаккумуляции
(гл. 11), пороговые уровни очень низки,
а у радиоактивных веществ, по мнению
многих, он нулевой (гл. 20). Это означает,
что любое, даже самое краткосрочное их
воздействие может причинить вред. Од-
нако загрязнители воздуха, обсуждаемые
в этой главе, не такие. Поэтому следует
помнить, что важно не само их присут-
ствие или отсутствие, а получаемая доза.
Под ней подразумевается произведение
концентрации (уровня) на экспозицию.
Уровень загрязнения определяется
тремя факторами:
-поступлением загрязнителей в воз-
дух;
- объемом пространства, в котором
они рассеиваются;
-механизмами удаления загрязните-
лей из воздуха.
Миллионы лет в атмосферу поступали
дым и другие загрязняющие вещества в
результате извержений вулканов, природ-
Рис. 12-1. Пороговый уровень загрязнителя -
это его концентрация, ниже которой не наблю-
дается отрицательных последствий. Однако
при увеличении экспозиции этот уровень может
понизиться в 1000 или более раз. Для разных
загрязнителей пороговые уровни неодинаковы.
Кроме того, по отношению к данному загряз-
нителю у различных видов и даже различных
экземпляров одного вида могут быть неодина-
ковые пороговые уровни. Пороговый уровень
зависит и от присутствия других загрязнителей
или стрессовых факторов
12. АТМОСФЕРНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ И БОРЬБА С НИМ
353
о
Примеры
ассимиляци
Расстояние от источника
Угарный газ СО Почвенные
Диоксид серы S0, + о2 -----------►
(ядовитые газы) микроорганизмы
Углекислый газСО2
Сульфат so^“
(Безвредные соединения)
Рис. 12-2. Рассеивание и ассимиляция загряз-
няющих веществ. Когда загрязнители смеши-
ваются с достаточно большими объемами воз-
духа, их концентрация понижается вплоть до
порогового уровня, ниже которого их отрица-
тельного воздействия не наблюдается. В даль-
нейшем почвенные микроорганизмы или дру-
гие природные процессы могут поглотить и ас-
симилировать загрязняющие вещества, пол-
ностью устранив их из среды. Так возникло
мнение, что природа сама справляется с загряз-
нением. К сожалению, современная цивилиза-
ция производит такие количества и такие типы
загрязняющих веществ, что это мнение не вы-
держивает критики
ных пожаров и пыльных бурь. Но био-
сфера способна удалять, ассимилировать
и рециклизировать эти естественные за-
грязнители. Они рассеиваются в атмосфе-
ре, затем оседают или выпадают с осад-
ками на землю, а почвенные микроор-
ганизмы преобразуют ядовитые газы в
безвредные соединения (рис. 12-2). На-
пример, угарный (СО) и сернистый (SO2)
газы превращаются в углекислый газ и
сульфат, служащие пищей для растений.
Таким образом, концентрация естествен-
ных загрязняющих веществ поддержива-
ется гораздо ниже порогового уровня;
редкие исключения,- например, ближай-
шие окрестности извергающихся вул-
канов.
С тех пор как люди около 10000 лет
назад научились пользоваться огнем, к
природным источникам загрязнения при-
бавились новые. Наши давние предки,
вероятно, не учитывали его вредных
последствий, к тому же их примитивная
технология не оставляла выбора. Обще-
принятой практикой стал выброс в воздух
продуктов сгорания и т.п. Предполага-
лось, что природа справится с тем, что
в нее добавляют, и такое мнение остава-
лось преобладающим до середины XX в.
Там, где вокруг промышленных центров
воздух становился слишком загрязнен-
ным, проблему видели лишь в его цир-
куляции, а тем, кому это не нравилось,
предлагали переехать в другое место. В
таком подходе было рациональное зерно.
Даже на небольшом расстоянии от источ-
12 2199
354
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 12-3. Типичный фотохимический смог. А.
Рано утром воздух прозрачен (Tom McHugh/
Photo Researchers). Б. Ближе к полудню того же
дня. Воздух мутный от густого смога (Georg
Gerster/Photo Researchers). Дымка образова-
лась в результате взаимодействия в атмосфере
накопившихся в час пик загрязнителей из вы-
хлопных газов. Реакции между ними стимули-
руются солнечным светом. Сфотографирован
один и тот же район Лос-Анджелеса
Рис. 12-4. Температурные инверсии могут при-
вести к высоким концентрациям загрязняющих
веществ. А. Обычно температура приземных
слоев воздуха выше, чем над ними. Теплый
воздух поднимается, унося загрязняющие ве-
щества вверх, где они рассеиваются. Б. Темпе-
ратурная инверсия-это ситуация, когда слой
теплого воздуха перекрывает более холодный
приземный. Таким образом, восходящие пото-
ки воздуха блокируются, и загрязняющие ве-
щества накапливаются как сигаретный дым
в закрытой комнате
0 Температура
I ' I * 1 I 1 I П
12. АТМОСФЕРНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ И БОРЬБА С НИМ
355
ников загрязнения воздух оставался еще
чистым.
Однако в 1950-е гг., особенно в связи
с развитием автомобильного транспорта
(см. гл. 22), все крупные города окутала
коричневатая дымка (рис. 12-3). Это был
смог, или, точнее, фотохимический смог,
так как для его образования необходим
солнечный свет (см. ниже).
Смог усиливается при определенных
погодных условиях, особенно-при тем-
пературной инверсии. Обычно на высоте
температура воздуха ниже. В этом случае
теплый воздух поднимается от земли,
унося с собой загрязняющие вещества и
Рис. 12-5. Возрастающее помутнение атмосфе-
ры. Измерения его в Мауна-Лоа на Гавайях
показали тенденцию к увеличению, не зависи-
мую от естественных факторов. Так как Гавайи
значительно удалены от антропогенных источ-
ников загрязнения, это доказывает, что послед-
нее воздействует на атмосферу планеты в це-
лом (с разрешения Wilfred Back, Atmoshperic
Pollution, p. 37, McGraw-Hill Book Company,
1972)
рассеивая их на высоте (рис. 12-4, А). При
температурной инверсии слой холодного
воздуха над землей перекрыт теплым. Это
происходит, когда холодный воздух «под-
текает» под теплый. В результате восхо-
дящее движение воздуха, уносящее загря-
зняющие вещества, блокируется, и они
накапливаются над землей (рис. 12-4, Б).
Рельеф местности может усиливать эф-
фект температурной инверсии, например
в Мехико и Лос-Анджелесе, где окружаю-
щие горы препятствуют горизонтальному
оттоку загрязнителей.
У многих людей смог вызывает го-
ловные боли, тошноту, раздражает глаза
и горло, а также ухудшает состояние при
хронических респираторных заболеваниях
типа астмы и эмфиземы. В некоторых
промышленных городах при резких тем-
пературных инверсиях загрязнение возду-
ха достигает такого высокого уровня,
что заметно повышается смертность
(табл. 12-1). Это, так сказать, катастрофи-
ческие результаты загрязнения воздуха.
Более того, вред не ограничивается
городами. В августе 1969 г. произошел
Годы
12*
356
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Таблица 12-1. Основные трагические последствия загрязнения воздуха (с разрешения Wilfred Bach, Atmospheric Pollution, 1972, McGraw-Hill Book Co.)
Дата Место Избыточная смертность
1980 февраль Лондон, Англия 1000
1930 декабрь Долина Меза, Бельгия 63
1948 октябрь Донора, Пенсильвания, США 20
1950 ноябрь Пока-Рика, Мексика 22
1952 декабрь Лондон, Англия 4000
1953 ноябрь Нью-Йорк, США 250
1956 январь Лондон, Англия 1000
1957 декабрь Лондон, Англия 700 800
1962 декабрь Лондон, Англия 700
1963 январь/февраль Нью-Йорк, США 200-400
1966 ноябрь Нью-Йорк, США 168
печально известный случай, когда види-
мое облако смога покрыло почти все
восточные штаты от Великих озер до
Мексиканского залива. Позднее помутне-
ние атмосферы отмечалось по всему зем-
Рис. 12-6. Кукуруза около Лос-Анджелеса в
1968 г. Листья пострадали от существовавшего
тогда уровня загрязнения воздуха, особенно
фотохимического смога. В 1960-е гг. это стало
обычным явлением (с разрешения Ray Thomp-
son, Центр по изучению загрязнения воздуха
в штате, Калифорнийский университет в Ривер-
сайде)
ному шару (рис. 12-5). В результате за-
грязнения воздуха в городах начали вы-
мирать многие виды деревьев, а вокруг
Лос-Анджелеса, Нью-Йорка и других
крупных центров фермеры страдали от
поражения или даже полной гибели уро-
жая (рис. 12-6). Сельскохозяйственный
ущерб стал таким обыденным, что в не-
которых районах Калифорнии фактически
полностью отказались от разведения цит-
русовых, а в Нью-Джерси местами пере-
стали выращивать овощи, хотя эти рай-
оны когда-то считались одними из самых
плодородных в США. Заметно ускорилась
12. АТМОСФЕРНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ И БОРЬБА С НИМ
357
коррозия металла, старение резины, тка-
ней и других материалов.
Короче говоря, стало очевидным, что
человек перенасытил природу загрязняю-
щими веществами. Согласно рассчетам,
из антропогенных источников их посту-
пает в 10, а то и в 1000 раз больше, чем из
естественных, в зависимости от вещества.
В 1950-1960-е гг. бесконтрольный выброс
загрязняющих веществ в атмосферу тер-
петь было уже нельзя.
В ответ на требования со стороны
граждан Конгресс США принял в 1970 г.
Акт о чистом воздухе и в 1977 г. поправки
к нему. Эти законы лежат в основе всей
борьбы против загрязнения атмосферы.
В них указаны наиболее распространен-
ные загрязняющие вещества и установле-
ны на них стандарты, т. е. уровни, кото-
рых следует достигнуть, чтобы уберечь
окружающую среду и здоровье человека.
Указаны также сроки достижения постав-
ленных целей.
Удовлетворение этих требований
включает четыре этапа:
-выявление загрязнителей;
-выяснение, какие из них обусловли-
вают те или иные вредные последствия
для здоровья человека и/или окружающей
среды, чтобы установить разумные стан-
дарты (если установить их ниже порого-
вых уровней загрязнителей, значительные
средства будут истрачены впустую);
-определение их источников;
-разработка и осуществление мер по
борьбе с загрязнением.
Все эти этапы действуют постоянно.
Когда поступает новая информация о
вредном влиянии загрязнителей, могут
быть установлены более строгие стан-
дарты, разработаны и внедрены новые
методы борьбы.
В результате принятия Акта о чистом
воздухе в большинстве городов ка-
чество воздуха по сравнению с началом
1970-х гг. заметно улучшилось. Однако не
все проблемы были решены, а в неко-
торых отношениях стало только хуже.
В последние годы кое в чем мы откати-
лись назад. Давайте более подробно рас-
смотрим, что достигнуто и какие пробле-
мы остались.
Основные загрязнители
воздуха и их воздействие
Основные загрязнители
В качестве наиболее распространенных
и опасных были выделены восемь кате-
горий загрязнителей.
1. Взвеси. Взвеси представляют собой
крошечные частицы и капли, находящиеся
в воздухе во взвешенном состоянии. Мы
наблюдаем их в виде смога или дымки.
Другие загрязнители присутствуют в га-
зообразном или парообразном состоянии
и невидимы, за исключением буроватого
диоксида азота. Взвеси могут переносить
другие загрязнители, растворенные в
них или приставшие к их поверхности
(рис. 12-7).
2. Углеводороды и другие летучие ор-
ганические соединения. Эта группа вклю-
чает в себя бензин, растворители для кра-
сок и растворы органических чистящих
Рис. 12-7. Летучая зола с угольной электро-
станции (увеличено в 2000 раз). Поверхность
частицы золы адсорбирует множество других
загрязняющих веществ, что и показывает этот
снимок, сделанный с помощью сканирующего
электронного микроскопа (фото Roger
J. Cheng, Центр атмосферных исследований,
Университет штата Нью-Йорк в Олбани)
358
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
веществ, переходящие в воздух в виде
паров.
3. Угарный газ (СО). Он очень ядовит.
4. Оксиды азота (NOX). Несколько
газообразных соединений азота и кисло-
рода.
5. Оксиды серы, в основном диоксид,
т. е. сернистый газ (SO2). Он ядовит как
для растений, так и для животных.
6. Свинец и другие тяжелые металлы.
7. Озон и другие фотохимические
окислители. Возможно, Вы знаете, что
озон в верхних слоях атмосферы важно
беречь как экран, защищающий нас от
ультрафиолетового излучения (см. гл. 13).
Однако это в то же время высокотоксич-
ный для растений и животных газ. Поэ-
тому озон в приземной атмосфере - опас-
ный загрязнитель. Прекрасный пример
формулы «загрязнитель-это вещество,
оказавшееся не на месте».
8. Кислоты, в основном серная и азот-
ная. Они чаще всего присутствуют в виде
капель жидкости, образующих кислотные
дожди и туманы.
Отрицательное воздействие
загрязнения воздуха
на людей, растения
и материалы
Очень важно сознавать, что загрязне-
ние атмосферы-это не одна, а множество
примесей к основным компонентам воз-
духа (рис. 2-1). Более того, количество
каждого конкретного загрязнителя силь-
но варьирует в зависимости от расстояния
до его источника, направления ветра и
погодных условий. Таким образом, состав
и концентрация смеси, воздействию ко-
торой мы подвергаемся, меняются изо
дня в день, каждый час и от места к месту.
Это означает, что последствия, наблю-
даемые нами, практически никогда не вы-
зываются единственным загрязнителем.
Все они-результат комбинированного,
часто синергического (см. гл. 11) воздей-
ствия целой смеси загрязнителей.
Например, как растения, так и живот-
ные могут испытывать при загрязнении
стресс, в результате чего становятся более
уязвимыми для других факторов среды,
скажем, для засухи или паразитов. При
такой сложной ситуации очень трудно
определить, какой именно загрязнитель
вызывает наблюдаемый эффект. Инфор-
мации относительно воздействия каждого
из загрязняющих веществ также мало.
Однако можно сделать некоторые общие
выводы.
Влияние на здоровье людей
В периоды, когда загрязнение дости-
гает высокого уровня, многие люди жа-
луются на головные боли, раздражения
глаз и носоглотки, тошноту и общее пло-
хое самочувствие. По-видимому, на сли-
зистые оболочки действует в основном
озон. Присутствие взвеси кислоты, глав-
ным образом серной, коррелирует с уча-
щением приступов астмы, а из-за угарно-
го газа возникают ослабление мысли-
тельной деятельности, сонливость и го-
ловные боли. С высокими уровнями взве-
сей, действующими в течение длительного
времени, связывают респираторные забо-
левания и рак легких. Однако все эти
факторы могут в разной степени влиять
на разные аспекты здоровья.
В некоторых случаях загрязнение воз-
духа достигало настолько высоких уров-
ней, что приводило к смертельным исхо-
дам (табл. 12-1). Впрочем, хотя такое по-
вышение смертности и объясняют загряз-
нением, умирали люди, уже страдавшие
тяжелыми заболеваниями органов дыха-
ния и/или сердца. Среди загрязняющих
воздух газов встречаются и смертельно
ядовитые при высоких концентрациях, но
такие концентрации вне помещений не-
достижимы, поэтому смерть, связываемая
с загрязнением воздуха, не результат
отравления. Однако дополнительный
стресс для человека в ослабленном со-
стоянии может оказаться роковым.
Среди тяжелых металлов, а также ор-
ганических веществ, загрязняющих воз-
дух. многие в высоких дозах канцероген-
ны. Обычно считается, что их следовые
количества в атмосфере-причина значи-
тельной доли раковых заболеваний у лю-
дей. Однако четкие доказательства здесь
12 АТМОСФЕРНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ И БОРЬБА С НИМ
359
Рис. 12-8. Многие заболевания и болезненные
состояния, в том числе рак легких и гортани,
эмфизема и ишемическая болезнь сердца
находятся в корреляционной зависимости
с курением. (Обратите внимание, что не
приведены данные по эмфиземе и сердечным
заболеваниям для тех, кто выкуривает 21—30
сигарет в день) (данные Департамента США по
здравоохранению, образованию и благосостоя-
нию)
отсутствуют. Сначала, действительно,
был показан более высокий уровень ле-
гочных заболеваний среди жителей горо-
дов с сильно загрязненным воздухом. Од-
нако в дальнейшем выяснилось, что
единственный фактор, бесспорно корре-
лирующий с числом серьезных легочных
заболеваний,-это курение (рис. 12-8). Ког-
да же исследования провели для курящих
и некурящих отдельно, у некурящих,
живущих и в загрязненном городском,
и в чистом воздухе легочные заболевания
оказались распространены примерно оди-
наково. Однако курильщики в загрязнен-
ном воздухе больше подвержены заболе-
ваниям легких, чем при отсутствии за-
грязнения (рис. 12-9). Другими словами,
курение и загрязнение воздуха обладают
сильным синергическим эффектом.
Некоторые заболевания, обычно со-
путствующие загрязнению воздуха на
данном производстве, также синергически
отягощаются курением. Например, пнев-
мокониоз, или «черная болезнь» легких,
встречается почти исключительно у ку-
рящих шахтеров. Заболевания легких сре-
ди тех, кто работает с асбестом, также
преобладают у курильщиков. В журнале
“Science” за 1983 г. заведующий кафедрой
360
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
биохимии Калифорнийского университета
в Беркли доктор Брюс Эймз пишет:
«Несмотря на многочисленные возраже-
ния, убедительных причин общего роста
раковых заболеваний в США (или в Вели-
кобритании), кроме предшествовавшего
увеличения табакокурения, не обнару-
жено».
Этот синергический эффект, возмож-
но, объясняется подавлением у куриль-
щиков работы крохотных ресничек у кле-
ток, выстилающих проходы в легких и в
норме удаляющих из них чужеродные
частицы (рис. 12-10). Следовательно, в
организме курильщиков эти частицы, не-
сущие и другие загрязнители, остаются
гораздо дольше, чем у некурящих.
Однако некоторые специалисты счи-
тают, что нельзя недооценивать роль сле-
дов тяжелых металлов и органических
соединений в воздухе. Ведь эти вещества
в больших количествах повышают риск
раковых заболеваний. В настоящее время
результаты их длительного воздействия
просто неизвестны.
Свинец - загрязнитель, заслуживаю-
щий особого внимания. Несколько деся-
тилетий отравление им считали причиной
умственной отсталости и связывали его
Рис. 12-9. Заболеваемость хроническим брон-
хитом среди людей, живущих в «слабо загряз-
ненном» воздухе сельской местности и в горо-
дах с «сильным загрязнением». Для некурящих
больших различий между этими двумя груп-
пами не существует. Но рост заболеваемости
среди курящих еще более усиливается в усло-
виях загрязненного воздуха. Очевиден синерги-
ческий эффект (Р. М. Lambert, D. D. Reid
“Smoking, Air Pollution and Health”, Lancet,
25 апреля 1975 г.)
в основном с проглатыванием частиц бе-
лил. Однако в начале 1980-х гг. обнаружи-
ли, что повышенное содержание свинца
распространено гораздо шире, чем ожи-
далось, и встречается в организмах как
взрослых, так и детей. В дальнейшем,
изучая случаи умственной отсталости у
детей и гипертонии у взрослых, обнару-
жили их корреляцию с высокими уровня-
ми свинца в крови. Источником столь
широко распространенного загрязнения
стали считать этилированный бензин, со-
держащий тетраэтилсвинец. Продукты
его сгорания просто вдыхаются или осе-
дают на пищу, воду и т. д. Агентство
охраны окружающей среды в 1988 г. доби-
лось запрета на использование бензина со
свинецсодержащими добавками.
12. АТМОСФЕРНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ И БОРЬБА С НИМ
361
Рис. 12-10. Проходы для воздуха в легких,
неоднократно разветвляясь, ведут в крошечные
мешочки, называемые альвеолами. Они окру-
жены кровеносными капиллярами. Когда
кровь проходит по этим капиллярам, кислород
из альвеол диффундирует в нее, а углекислый
газ движется в обратном направлении. А. Нор-
мальное легкое. Б. Легочная ткань больного
эмфиземой, хроническим заболеванием легких,
в процессе которого часть их разрушается.
Курение способствует развитию эмфиземы
и других заболеваний легких (ЕРА Documc-
rica, фото Leroy Woodson; с разрешения ЕРА).
В. Схема строения легких
Влияние на леса и сельское
хозяйство
Загрязнители, повреждающие расти-
тельность, определяли эксперименталь-
ным путем. Растения выращивали в каме-
рах, где можно было создать атмосферу
любого состава, а результаты сравнивали
с полевыми наблюдениями. Или же в
полях устанавливали открытые вегета-
ционные сосуды, в один из которых посту-
пал очищенный фильтрованием воздух,
а в соседний-«обычный». Это-один из
способов мониторинга загрязнения
(рис. 12-11). Такие эксперименты позво-
ляют получить информацию о том, какие
вещества в атмосфере и какой ущерб на-
носят, а затем экстраполировать данные
на сельское хозяйство, леса и экосистемы
в целом.
Оказывается, растения гораздо чувст-
вительнее к загазованности воздуха, чем
люди. До начала борьбы с выбросами
в атмосферу часто приходилось видеть
13 2199
362
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 12-11. Изучение влияния загрязняющих
веществ в окружающем воздухе на развитие
растений. На участках с исследуемой расти-
тельностью установлены вегетационные сосу-
ды с открытым верхом. В них подается
отфильтрованный и неотфильтрованный воз-
дух. Сравнение развития растений в двух этих
сосудах демонстрирует влияние загрязнения
окружающего воздуха в естественных усло-
виях. Многие эксперименты показывают, что
очистка воздуха приводит к увеличению роста
на 10-40%, из чего можно заключить, что
существующий уровень загрязнения обуслов-
ливает сокращение роста в такой же степени.
По-видимому, к таким последствиям приводит
в основном присутствие озона
обширные пространства отмершей или
сильно поврежденной растительности с
подветренной стороны от металлурги-
ческих заводов или электростанций, рабо-
тающих на угольном топливе (рис. 12-12).
Это объясняется воздействием диоксида
серы. Вымирание растительности в горо-
дах и ущерб, который несли фермеры, чьи
угодья расположены с подветренной от
них стороны,-следствие главным обра-
зом влияния озона и других фотохими-
ческих окислителей.
Кроме того, полевые опыты проде-
монстрировали, что в чистом (профиль-
трованном) воздухе растения вырастают
значительно крупнее, чем в загрязненном
(рис. 12-13). Значит, уже существующие
уровни загрязнения подавляют их рост
без очевидных признаков повреждений
Рис. 12-12. Гибель растительности в резуль-
тате загрязнения воздуха. Давно известно, что
оно может наносить серьезный ущерб расте-
ниям. Обычным явлением стало отмирание
растительности на значительных площадях
вокруг разнообразных промышленных объек-
тов. Этот лес погубили различные загрязняю-
щие вещества, поступающие в воздух на
открытых разработках бурого угля в Британ-
ской Колумбии, Канада (Pado Koch/Photo
Researchers)
12. АТМОСФЕРНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ И БОРЬБА С НИМ
363
Рис. 12-13. Загрязнение может приводить к за-
медлению роста, не причиняя другого види-
мого ущерба. Растение картофеля справа было
выращено на открытом воздухе в Белтсвилле
(Мэриленд). Левое растение выросло там же,
но на воздухе, из которого отфильтрованы
загрязняющие вещества (фото Сельскохозяйст-
венного департамента США)
пасными для здоровья человека. На всех
западных предгорьях Сьерра-Невады в
Калифорнии сильно страдают такие пен-
ные экономически виды, как сосны желтая
и Жеффрея. В горах Сан-Бернардино за-
грязнение воздуха со стороны Лос-Андже-
леса местами снизило продуктивность на
75%. Опытная делянка с веймутовой сос-
ной вблизи от обочины дороги в Западной
Виргинии сократила прирост древесины
на 40%; аналогичное положение наблю-
дается по всей Новой Англии и в других
восточных штатах. Похоже, и в этом слу-
чае основной фактор-озон, хотя и кисло-
тные осадки могут играть здесь значи-
А
или отклонений от нормы. Наиболее
серьезным фактором здесь оказалось при-
сутствие озона. Согласно недавним оцен-
кам, урожайность в США без загрязнения
озоном повысится: у кукурузы-на 3, у
пшеницы-на 8, у сои-на 17, у арахиса-
на 30%. Это составляет 10% всей прибы-
ли от земледелия, т. е. примерно 5 млрд,
долларов. Приведенные цифры-средние
по стране; в сильно загрязненных районах
ситуация значительно серьезнее.
Отрицательное воздействие загрязне-
ния воздуха на дикорастущие виды может
оказаться еще более трагическим, чем в
сельском хозяйстве. Эксперименты с от-
крытыми вегетационными сосудами, про-
веденные в горах Блу-Ридж на северо-
западе Виргинии, продемонстрировали,
что рост различных лесных растений сни-
жается озоном на 32-57%, даже когда его
содержание ниже норм, признанных безо-
Рис. 12-14. Критический уровень загрязне-
ния. А. Контрольное растение слева выращено
на чистом воздухе, а остальные при указан-
ной снизу концентрации диоксида серы (в
частях на 100 млн.). Обратите внимание, что
рост ослабевает не линейно. Резкий его спад
наблюдается между 6 и 15 частями на 100 млн.
(фото Сельскохозяйственного департамента
США). Графически концепция критического
уровня показана на рис. Б
13*
364
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 12-15. Коррозия материалов и загрязне-
ние воздуха. Эти никелированные ручки нахо-
дились на открытом воздухе в течение 4,5 лет.
Связь между коррозией и уровнем загрязнения
очевидна (Шведский институт коррозии, Сток-
гольм, Швеция)
тельную роль (см. пример к этой главе
и гл. 13).
Более того, леса, испытывающие
стресс в связи с загрязнением, становятся
более чувствительными к поражению на-
секомыми и патогенами. Например, ги-
бель сосен желтой и Жеффрея в Калифор-
нии вызывают в основном сосновые жуки-
лубоеды, поселяющиеся на ослабленных
деревьях. Даже обычно безобидные насе-
комые в сочетании со стрессом, обуслов-
ленным загрязнением, могут стать смер-
тельно опасными. Если загрязнение рас-
пространено достаточно широко, даже не-
большое повышение его уровня иногда
приводит к катастрофическому сокраще-
нию прироста, так как этот эффект (как
и другие отрицательные последствия) не
связан с уровнем загрязнения линейно.
Другими словами, на единицу загрязне-
ния не приходится единица ущерба. На-
против, растения выносят стресс до опре-
деленного уровня без видимых послед-
ствий, но в дальнейшем даже слабое уве-
личение концентрации или длительности
воздействия загрязнителя превышает
предел устойчивости вида и ведет к рез-
кому падению его прироста или гибели.
Эта точка называется критическим уров-
нем (рис. 12-14).
12. АТМОСФЕРНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ И БОРЬБА С НИМ
365
Даже если не произойдет катастрофи-
ческого отмирания, снижение первичной
продуктивности, безусловно, должно ска-
заться на остальной экосистеме, в том
числе и на почвах. Когда чувствительные
виды гибнут, их место в ходе экологи-
ческой сукцессии занимают более устой-
чивые. К чему это приведет неизвестно, но
многие лесоводы и экологи не сомневают-
ся, что широкомасштабные биологичес-
кие изменения ландшафтов в результате
существующего загрязнения воздуха уже
происходят.
Влияние на материалы
и эстетическое качество
Стены, окна и другие поверхности ста-
новятся серыми и грязными, когда на них
оседают взвеси. Краски и облицовочные
материалы быстрее стареют, а поверх-
ность шин и других резиновых изделий
грубеет и покрывается трещинами в ре-
зультате окисления озоном. Сернистый
газ и кислоты, образующиеся из оксидов
азота и серы, сильно ускоряют коррозию
металлов (рис. 12-15), разъедание и вы-
ветривание изделий из камня. Такое и
аналогичное воздействие загрязненного
воздуха на различные материалы увели-
чивает затраты на их очистку и замену на
сотни миллионов долларов ежегодно.
Кроме того, ясное синее небо и хоро-
шая видимость вместо завесы смога име-
ют свою эстетическую ценность и психо-
логическое значение. А это непосредст-
венно сказывается на стоимости недви-
жимости.
Источники загрязнения
и стратегии борьбы с ним
Загрязняющие вещества:
продукты горения
Непосредственные продукты
Загрязняющие воздух вещества-это в
значительной мере продукты сжигания
угля, бензина, другого жидкого топлива,
а также отходов (бумаги, пластика и т. п.).
Топливо и отходы - органические соеди-
нения (на основе углерода и водорода).
При их полном сгорании образуются
углекислый газ и вода (СН4 + 2 О2 =
= СО2 + 2Н2О). Однако окисление редко
проходит до конца.
Состоящие в основном из углерода
частицы выбрасываются в воздух; их
взвесь мы наблюдаем как дым. В нем,
кроме того, содержатся несгоревшие мо-
лекулы топлива или их фрагменты. Это
выбросы углеводородов. Неполностью
окисленный углерод - угарный газ (СО);
продукт полного его сгорания - углекис-
лый (СО2). Оксиды азота возникают из-за
того, что процесс горения происходит в
воздухе, на 21% состоящем из кислорода
и на 78%-из азота. При высоких темпе-
ратурах горения часть азота (N2) окисля-
ется до монооксида (NO), который в воз-
духе немедленно вступает в реакцию с
кислородом с образованием диоксида
(NO2) и/или тетраоксида (N2O4). Все эти
соединения объединяют под одним назва-
нием-оксиды азота (NOX). Диоксид азота
поглощает свет, и буроватый оттенок фо-
тохимического смога обусловлен глав-
ным образом присутствием NO2.
Кроме того, топливо и отходы содер-
жат примеси и добавки, которые при сго-
рании также попадают в воздух. Напри-
мер, в угле от 0,2 до 5,5% серы. При
сгорании она окисляется с образованием
сернистого газа (SO2). Уголь может со-
держать и примеси тяжелых металлов’,
естественно, огромное число соединений
присутствует в отходах. До запрета, вве-
денного Агентством охраны окружающей
среды, в бензин добавлялся тетраэтил-
свинец (дешевый способ предотвратить
стук двигателя). Высвобождаясь с вых-
лопными газами, свинец оставался в воз-
духе и, прежде чем осесть, переносился на
большие расстояния (рис. 12-16).
Вторичные продукты
Перечисленные непосредственные
продукты сгорания могут вступать в ат-
мосфере в дальнейшие реакции, давая его
вторичные продукты.
Озон и многочисленные активные ор-
Рис. 12-16. Содержание свинца в ледниках
Гренландии. Возраст образцов льда соответст-
вует их глубине. Содержание свинца, хотя
и варьирует, явно коррелирует с его количест-
вом, выбрасываемым в воздух промышленны-
ми предприятиями и автомобилями (с разре-
шения Murozumi, Т. J. Chow, С. Patterson “Che-
mical Concentrations of Pollutant Lead Aerosols,
Terrestrial Dusts and Sea Salt in Greenland and
Antarctic Snow Strata”, Geochimica and Cosmo-
chimica Acta, 33, Copyright 1969, Pergamon Press,
Ltd.)
- 0,20
- 0,18
- 0,16
- 0,14
- 0,12
- 0,10
- 0,08
- 0,06
- 0,04
- 0,02
800ДОН.Э. Н.Э.1750 1800 1850 1900 1950
Возраст Образца
Свинец в снегу, млрд
ОСНОВНЫЕ ЗАГРЯЗНИТЕЛИ ОТ ТРАНСПОРТА
12. АТМОСФЕРНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ И БОРЬБА С НИМ
367
Таблица 12-2. Национальные стандарты качества окружающего воздуха для критериев загрязнения
(по Council on Environmental Quality, Seventh Annual Report, 1976, c. 215)
Загрязняющее вещество Время усреднения Первичный стандарт
Взвеси, мкг/м3 1 год 75
24 ч 260
Оксиды серы, млн “1 1 год 0,03
24 ч 0,14
3 ч —
Угарный газ, млн “1 8 ч 9
1 ч 35
Диоксид азота, млн “1 1 год 0,05
Озон 2), млн “1 1 ч 0,12
n Период, в течение которого концентрация измерялась и усреднялась.
2) Пересмотрено 26 января 1979 г.
ганические соединения образуются в ре-
зультате химических взаимодействии
между оксидами азота и летучими углево-
дородами, стимулируемых солнечным све-
том. Так как он дает энергию для этих
реакций, их продукты называют фотохи-
мическими окислителями. Основные пре-
вращения изображены на рис. 12-17. Под
действием световой энергии диоксид азо-
та распадается на монооксид и атом
кислорода, а тот соединяется с О2, давая
озон (О3). Процесс спонтанно обратим.
Если отсутствуют другие факторы, озон
и монооксид азота вновь реагируют с
образованием монооксида азота и О2,
поэтому заметного накопления озона не
происходит (рис. 12-17, А).
Но в присутствии углеводородов NO
реагирует с ними, а это влечет за собой
два чрезвычайно неприятных последствия.
Во-первых, образуются очень агрессивные
и вредные органические соединения, из-
вестные под названием пероксиацил-
нитратов (ПАН); их также относят к фо-
тохимическим окислителям. Во-вторых,
Рис. 12-17. Образование озона и других фото-
химических окислителей. Наиболее опасен из
них озон. А. Оксиды азота сами по себе не
достигают опасного уровня, так как реакции
с их участием обратимы. Б. Когда присутст-
вуют еще и углеводороды, идет реакция
с образованием множества вредных соедине-
ний, а главное - озона
NO таким образом связывается, и проис-
ходит накопление озона (рис. 12-17, Б).
Серная и азотная кислоты образуются
при взаимодействии паров воды с окси-
дами серы и азота соответственно.
Наконец, сами взвеси также становят-
ся более опасными, так как адсорбируют
на поверхности частиц огромное коли-
чество других загрязняющих веществ
(рис. 12-7). Под ^сорбцией подразуме-
вается простое прикрепление к поверх-
ности (как мухи к липучке) в отличие от
абсорбции, т. е. поглощения. Именно поэ-
тому активированный уголь является та-
ким прекрасным химическим фильтром.
Источники загрязнения воздуха обоб-
щены на рис. 12-18.
Установление стандартов
Акт о чистом воздухе от 1970 г. пре-
дусматривал стандарты для следующих
пяти загрязнителей, которые в то время
считались наиболее распространенными
и вредными: (1) все взвеси, (2) сернистый
газ, (3) озон, (4) угарный газ и (5) оксиды
азота. Это критерии загрязнения. Первич-
ный стандарт, или предельно допустимая
концентрация (ПДК), для каждого из
них—это максимальный уровень, который
человек может переносить без ущерба для
здоровья, плюс 10-50% как «запас проч-
ности» (табл. 12-2).
Качество воздуха, о котором теперь
обычно сообщают в сводках погоды, оце-
368
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
1. Всасывание
2.Сжатие
3.Равочий ход
5
4. Выхлоп
Рис. 12-18. А. Главные источники основных
загрязнителей воздуха. Б. Транспортные сред-
ства основной источник углеводородов и ок-
сидов азота, так как в каждом обычном
цилиндре двигателя внутреннего сгорания
смесь топлива и воздуха (1) всасывается, (2)
сжимается, (3) воспламеняется и (4) выбрасы-
вается наружу около 25 раз в секунду. При
высоком давлении в процессе сгорания обра-
зуются оксиды азота. Более того, сгорание
часто бывает неполным, так что в выхлопных
газах содержатся углеводороды и угарный газ
нивают по этим стандартам. Загрязни-
тель с наиболее высокой концентрацией
относительно своего первичного стандарта
определяет индекс качества (рис. 12-19).
Например, если максимальное содержа-
ние для критериев загрязнения составляет
25% первичного стандарта, стандарт-
ный индекс загрязнения (PS1) равен 25
и качество воздуха считается «хорошим».
Если это содержание-150%, PSI = 150,
а качество воздуха «нездоровое» (см.
рис. 12-19). Если загрязнение воздуха
слишком высоко, фабрики, заводы и дру-
гие загрязняющие его предприятия могут
быть закрыты до тех пор, пока воздух не
очистится.
12. АТМОСФЕРНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ И БОРЬБА С НИМ
369
СТАНДАРТНЫЙ ИНДЕКС ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Рис. 12-19. Стандартный индекс загрязнения,
отражающий качество воздуха. Оно оценивает-
ся по самому высокому процентному содержа-
нию критерия загрязнения относительно пер-
вичного стандарта
Основные источники
загрязнения и меры
борьбы с ними
Взвеси
Вплоть до 1970 г. основными источ-
никами взвесей были открытое сжигание
отходов на свалках и промышленные тру-
бы. Акт о чистом воздухе запретил от-
крытое сжигание отходов и потребовал от
предприятий «невидимого дыма» из труб.
От отходов стали избавляться, в ос-
новном закапывая их в землю, что поро-
дило свои экологические проблемы, об-
суждаемые в гл. 18. Для сокращения вы-
бросов из труб на промышленных пред-
приятиях установили фильтры, электро-
статические уловители и другие приспо-
собления, изображенные на рис. 12-20. Но
отсюда отходы гоже нужно куда-то на-
правлять. Пыль, извлекаемая из газов
сгорания и часто содержащая тяжелые
металлы и другие ядовитые вещества,
прибавилась к объему токсичных продук-
тов, требующих захоронения (гл. 11). Тем
не менее принятые меры привели к за-
метному сокращению в течение 1970-х гг.
содержания взвесей в воздухе (см.
рис. 12-23). Однако возросшее использо-
вание дровяных печей и дизельных двига-
телей частично свели эти достижения на
нет. Теперь в некоторых местах действу-
ют ограничения на дровяные печи, а в
Калифорнии запрещена продажа новых
дизельных машин.
Оксиды азота, углеводороды, озон
и другие фотохимические окислители,
угарный газ
Основным источником углеводородов
и оксидов азота, приводящим к повыше-
нию приземного содержания озона, пе-
роксиацилнитратов и угарного газа,
признаны выхлопные газы транспортных
средств. Углеводороды, кроме того, по-
падают в воздух при испарении бензина
и других нефтепродуктов из топливных
баков и двигателей внутреннего сгорания.
Акт о чистом воздухе потребовал со-
кращения этих выбросов на 90% к 1975 г.
Испарение из топливных баков предо-
твращают с помощью системы трубок,
идущих к емкости с активированным уг-
370
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
А
лем, который улавливает пары и на-
правляет их в двигатель. Контролировать
выбросы оксидов азота проблематично.
Первые меры были направлены на усо-
вершенствование двигателей - понижение
температуры и давления сжигания, что
ослабляет окисление азота. К сожалению,
это уменьшает к. п.д. и увеличивает рас-
ход топлива. Возник конфликт между
борьбой с загрязнением и другой крайне
важной проблемой - экономией энергии.
Однако для образования озона нужны не
только оксиды азота, но и углеводороды.
Поэтому решили, что, если справиться со
вторььми, первые не будут вызывать ос-
ложнений. В результате на выбросы окси-
дов азота с автомобильными выхлопными
газами перестали обращать внимание,
направив основные усилия на борьбу
с поступлением в атмосферу углеводо-
родов.
В настоящее время автомобили обо-
рудованы множеством приспособлений
Рис. 12-20. Приспособления для устранения
взвесей из отходящих газов. А. Циклонный
пылеуловитель. При вращении отходящих
газов взвеси удаляются под действием центро-
бежных сил. Б. Электростатический уловитель.
Частицы заряжаются отрицательно, а затем
притягиваются к положительно заряженным
пластинам. В. Пылеуловительная камера
с рукавными фильтрами. Газы пропускают как
бы через огромные пылесосы. Обратите внима-
ние, что ни одно из этих приспособлений не
устраняет очень мелкие частицы или газы,
например диоксид серы (Американская пуль-
монологическая ассоциация)
12. АТМОСФЕРНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ И БОРЬБА С НИМ
371
Клапан возврата отмерен-
ного количества выхлоп-
ных газов в цилиндры для
понижения температуры
горения (Борьва с выброса-
ми оксидов азота)
Карвюратор
Герметичный колпак,
препятствующий выходу
углеводородов (паров топлива)
Клапан возврата просо-
чившихся в картер газов
обратно в карвюратор
для вторичного сжигания
Мночисленные приспособления
для контроля за воздушно-
топливной смесью и временем
сгорания при различных режи-
мах температуры двигателя
(повышают эффективность
горения)
Каталитический преобра-
зователь для "доокисления"
углеводородов и угарного газа
до углекислого газа и воды
А
Б
Рис. 12-21. Автомобильные приспособления
для борьбы с загрязнением. А. В настоящее
время автомобили оборудованы многочислен-
ными устройствами да я борьбы с загрязне-
нием. Б. Наиболее значительное усовершенст-
вование - каталитический преобразователь вы-
хлопных газов. Проходя через него, выхлопы,
содержащие углеводороды и угарный газ,
окисляются на катализаторе, представляющем
собой платинированные гранулы, с образова-
нием безвредного углекислого газа и паров
воды (фото «Дженерал Моторе»)
для борьбы с загрязнением, включая ком-
пьютерный контроль за составом горю-
чей смеси и опережением зажигания, обес-
печивающий более полное сгорание топ-
лива и снижающий содержание углеводо-
родов в выхлопах (рис. 12-21). Однако
самым значительным усовершенствова-
нием остается каталитический преобразо-
ватель (рис. 12-21, Б). Когда выхлопные
газы проходят через него, химический ка-
тализатор (платинированные гранулы)
372
Ч IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 12-22. Станция по проверке выхлопных
газов автомобилей. Проба газов из выхлопной
трубы автоматически анализируется на содер-
жание углекислого газа, угарного газа и угле-
водородов. Каждый такой автомат пропускает
до 40 автомобилей в час. Если машина нс
удовлетворяет стандартам, се требуют почи-
нить. Такие станции оборудованы в соответст-
вии с Актом о чистом воздухе в тех районах,
где сохраняется высокий уровень загрязнения
воздуха (фото автора с разрешения Systems
Control, Inc.)
стимулирует окисление углеводородов до
углекислого газа и воды. Каталитический
преобразователь обеспечивает также до-
окисление угарного газа до углекислого,
т. е. прекрасную борьбу и с выбросами
СО. Однако он не способен ничего сде-
лать с оксидами азота.
Конечно, эффективность приспособле-
ний для борьбы с загрязнением зависит от
правильной эксплуатации. По имеющим-
ся наблюдениям, на каждые пять машин
приходится одна, в которой они не рабо-
тают из-за неправильной регулировки или
поломок. Самый распространенный слу-
чай - созна гельное отключение каталити-
ческих преобразований из-за ошибочного
мнения, что это позволяет сэкономить
топливо. Чтобы решить проблему, в
1977 г. были приняты поправки к Акту
о чистом воздухе, требующие осущест-
вления в каждом штате программ про-
верки выхлопных газов в тех местах, где
качество воздуха не соответствует уста-
новленным стандартам (рис. 12-22). Если
штаты не подчинятся, они могут лишить-
ся федеральных дотаций на строительство
дорог Кроме того, в современных авто-
мобилях отсутствие или порча системы
контроля выхлопных газов существенно
снижает к. п. д.
В результате борьбы с выхлопными
газами и проверок в большинстве городов
США с 1975 по 1983 г. уровень загрязне-
ния угарным газом, углеводородами, озо-
ном и смогом значительно понизился.
Однако часть этого улучшения можно
связать со смещением автомобильного
движения из городов в сельские районы,
так как новые торговые центры и про-
мышленные предприятия строятся за го-
родом. К сожалению, там мониторинг
загрязнения воздуха осуществляется не-
достаточно тщательно, но, судя по сос-
12. АТМОСФЕРНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ И БОРЬБА С НИМ
373
Рис. 12-23. Тенденции содержания в воздухе
некоторых загрязняющих воздух веществ по
сравнению с 1977 г. (принято за 100%).
Обратите внимание, что количество оксидов
азота не уменьшилось, так как борьба с этой
группой загрязнителей не велась. Содержание
озона сначала понизилось, но увеличение числа
машин свело на нет это улучшение, достигну-
тое за счет уменьшения выбросов на каждую из
них. Кажущееся улучшение положения с дио-
ксидом серы достигнуто ценой развития
кислотных дождей в результате сооружения
высоких дымоходов. Реальных успехов удалось
достичь со свинцом, запретив содержащие его
добавки к бензину. Здесь приведены средние
данные для многих станций; на каждой
конкретной они могут существенно отличаться
от приведенных здесь (данные Агентства
охраны окружающей среды)
тоянию лесов и культур, концентрация
фотохимических окислителей в сельских
районах, как и следовало ожидать, пони-
зилась параллельно улучшению качества
воздуха в городах. В настоящее время,
каким бы существенным это улучшение
ни было вначале, оно сводится на нет
растущим количеством автомобилей и
расширением дорожной сети, а также
многочисленными колоннами дизельных
грузовиков, обеспечивающих систему
распределения товаров. Кроме того, су-
ществуют значительные источники угле-
водородов и помимо транспортных
средств: испарение из хранилищ отходов
(особенно из поверхностных прудов),
покрасочных цехов, станций автосервиса
374
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
и т. д. В любом случае уровень озонового
загрязнения опять повышается. В 1988 г.,
согласно исследованиям Фонда охраны
окружающей среды, в Вашингтоне он был
таким, что, если бы речь шла о фабрике,
ее немедленно закрыли бы. Ученые также
обнаруживают все больше свидетельств
отрицательного воздействия озона на
растительность, в том числе на леса (см.
пример к этой главе).
Диоксид серы и ее кислоты
Измерения содержания диоксида серы
в воздухе городов также говорят о значи-
тельных успехах в борьбе с этим загряз-
нителем (рис. 12-23). На самом деле такие
результаты лишь вводят в заблуждение,
поскольку принятые меры повлекли за
собой столь же сложные, если не худшие
проблемы. Основной источник диоксида
серы - металлургические заводы и уголь-
ные электростанции. Одна электростан-
ция сжигает до 10000 т угля в сутки. При
содержании в нем 3% серы это приводит
к выбросу в атмосферу 1000 т диоксида
серы ежесуточно.
Вместо того чтобы сократить выбро-
сы, представители этой отрасли добились
в рамках Акта о чистом воздухе разреше-
ния «разбавлять загрязнение». Они закры-
ли мелкие малорентабельные станции в
городах и отстроили в сельской местнос-
ти гигантские ТЭС с очень высокими тру-
бами, выбрасывающими загрязняющие
вещества выше слоя температурных ин-
версий. Идея состояла в том, что, если
направлять загрязнители в более высокие
слои атмосферы, они развеются ветром
и практически исчезнут. Однако вместо
этого диоксид серы из высоких труб ТЭС
стал превращаться в серную кислоту и
оказался основным источником кислот-
ных осадков (гл. 13).
Таким образом, улучшение качества
воздуха в городах было достигнуто ценой
его ухудшения в сельских районах, а со-
кращение содержания диоксида серы в
приземных слоях атмосферы сильно ос-
ложнило проблему кислотных дождей.
Все это произошло вопреки Акту о чис-
том воздухе, требующему не допускать
ухудшения ситуации в сельской мест-
ности.
Свинец и другие тяжелые металлы
Когда был введен запрет на использо-
вание содержащих свинец добавок к бен-
зину, положение с этим загрязнителем
значительно улучшилось (рис. 12-23). Од-
нако остались другие важные источники
тяжелых металлов. В 1988 г. правитель-
ство штата Мичиган предупредило, что
нельзя есть рыбу из внутренних озер шта-
та, так как в ней в процессе биоаккумуля-
ции накопилось большое количество рту-
ти, видимо, попадающей в воду из за-
грязненного воздуха. Источники ее пока
не удалось установить.
Что Вы можете сделать
В начале 1970-х гг. во многих городах
загрязнение достигало «нездорового» или
даже худшего уровня более 100 дней в
году. В Лос-Анджелесе ежегодно таких
дней было около трехсот. Сначала стави-
лась цель добиться к 1975 г. ежедневного
«хорошего» качества воздуха. Вряд ли
стоит говорить, что она не была достиг-
нута, однако обозначилось и явное улуч-
шение ситуации (рис. 12-24). Несомненно,
качество воздуха было бы гораздо хуже,
если бы меры контроля отсутствовали.
Тем не менее очень тревожит то об-
стоятельство, что за последние несколько
лет положение вновь осложнилось. При-
способления для борьбы с загрязнением
и более полного сгорания топлива обу-
словили с 1969 по 1989 г. сокращение
автомобильных выхлопов на 95%. По
мере замены старых машин новыми, бо-
лее «чистыми» это было достигнуто, не-
смотря на растущее число автомобилей
и расширение дорожной сети. Теперь, ког-
да большинство моделей уже относится
к «чистому» типу, улучшения за счет их
замены не происходит, и увеличение числа
автомобилей стало основным фактором
нового повышения уровня загрязнения.
Очевидно, следует возобновить борьбу с
выхлопными газами, особенно с углево-
дородами и оксидами азота, ведущими
12. АТМОСФЕРНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ И БОРЬБА С НИМ
375
Рис. 12-24. Качество воздуха в 23 урбанизиро-
ванных зонах в соответствии со Стандартным
индексом загрязнения (PSI). В основном
в конце 1970-х и в 1980-х гг. оно заметно
улучшилось, о чем свидетельствует уменьше-
ние числа дней в году, когда PSI достигал
«нездорового» или еще худшего уровня.
Значит, меры борьбы с загрязнением были
эффективны, хотя многое здесь еще предстоит
сделать (источник: Совет по качеству окру-
жающей среды, печатается с разрешения Фонда
сохранения природных ресурсов, State of the
Environment: An Assesment at Mid-Decade. 1984.
Данные no 1987 г. приводятся no National Air
Quality and Emissions Trends Report, 1987, by
EPA)
к образованию озона. Однако дальнейшие
шаги потребуют больших затрат и уси-
лий, так как самое простое уже сделано.
В 1989 г. в Лос-Анджелесе принят рас-
считанный на 20 лет план радикальной
борьбы с печально знаменитым город-
ским смогом. Он предусматривает пере-
вод большинства автомобилей на мета-
нол (древесный спирт), сгорающий «чи-
ще», чем бензин. Все автомобили, автобу-
сы и грузовики короткого радиуса дей-
ствия будут переведены на электроэнер-
гию. Президент Джордж Буш предлагал
распространить эти меры на всю страну.
Проблема только в том, что производ-
ство метанола может повлечь за собой
еще больше загрязнения и побочных эко-
логических эффектов, чем смог, для борь-
бы с которым оно предназначено, а
электрический транспорт нуждается для
практического применения в технической
доводке (см. гл. 21). Помимо сокращения
выхлопных газов план также требует от
работодателей поощрять совместное
пользование ггвтомобилями и включает
еще более 100 пунктов, среди которых
запрещение использования аэрозольных
дезодорантов и лаков для волос, а также
обязательное внедрение предпринимате-
лями самого совершенного оборудования
376
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
для борьбы за загрязнением независимо
от его стоимости.
Более общий подход, выгодный для
всей страны, состоит в повышении к. п. д.
использования топлива машинами, кото-
рый с 1985 г. остается на уровне 26 миль
на галлон (около 10 км/л). Существуют
технологии, которые позволят к 2000 г.
увеличить эту цифру в среднем до 60 миль
на галлон. Кроме того, нужны более стро-
гие стандарты по борьбе с выхлопными
газами и соблюдению к. п. д. потребления
топлива для легких грузовиков и машин
с двумя ведущими мостами, часто ис-
пользуемых теперь в качестве личного
транспорта. Удвоение к. п.д. потребления
топлива транспортными средствами
вдвое снизит количество выхлопных га-
зов. Это важно и с точки зрения пробле-
мы связанного с СО2 парникового эф-
фекта (гл. 13), и грядущего топливного
кризиса (гл. 19).
Больше внимания следует уделить
сокращению выбросов в атмосферу окси-
дов азота, так как справиться с озоном
и другими фотохимическими окислителя-
ми, контролируя только углеводороды,
оказалось невозможно. Кроме того, окси-
ды азота усугубляют проблемы кислот-
ных дождей (гл. 13) и эвтрофизации
(гл. 9). Специалисты разрабатывают ка-
талитический преобразователь, превра-
щающий эти оксиды в газообразный азот.
Их усилия вот-вот воплотятся на практи-
ке и могли бы получить больше под-
держки со стороны общественности.
Напишите Вашим конгрессменам и
попросите, чтобы следующая редакция
Акта о чистом воздухе включала в себя
требования:
-установить и ввести в действие стан-
дарты по озону и другим загрязняющим
веществам, которые защищали бы сельс-
кохозяйственные культуры, леса и другие
объекты окружающей среды, а не только
здоровье человека;
-обеспечить борьбу с оксидами азота;
дальнейшие отсрочки здесь недопустимы;
-установить стандарты, увеличиваю-
щие средний к.п.д. потребления топлива
автомобилями к 2000 г. до 60 миль на
галлон;
-установить более строгие стандарты
по выхлопным газам и к.п.д. потребле-
ния топлива для грузовиков и автобусов,
особенно для легких грузовиков и авто-
мобилей с двумя ведущими мостами, ис-
пользуемых в качестве личного транс-
порта;
-обратить внимание на нетранспорт-
ные источники загрязнения углеводоро-
дами;
-сократить выбросы диоксида серы
угольными электростанциями (значение
этого для борьбы с кислотными осадками
обсуждается в гл. 13).
Наконец, даже если автомобиль эф-
фективно потребляет топливо, каждая
пройденная им миля неизбежно приводит
к загрязнению. Подумайте о том, как Вы
можете изменить стиль своей жизни, что-
бы меньше ездить на машине? Можете ли
Вы пользоваться одной машиной вместе
с кем-то? Пользоваться общественным
транспортом? Поселиться поближе к
школе или работе, чтобы добираться туда
пешком или на велосипеде? Существуют
ли пути экономии энергии, г. е. сокра-
щения потребления топлива и электри-
чества в Вашем доме? Даже небольшая ее
экономия- это уменьшение загрязнения.
Загрязнение воздуха
в помещениях
Узнав, как много вокруг загрязняю-
щих веществ, Вы, возможно, не захотите
выходить из дома, чтобы избежать ущер-
ба для собственного здоровья. Однако
воздух дома и в рабочих помещениях
содержит гораздо больше опасных за-
грязнителей В своем недавнем отчете
Национальная академия наук называет
его загрязнение в этих местах «весьма
запущенным» вопросом, дающим основа-
ния для «немедленного и сильнейшего
беспокойства». У проблемы загрязнения
воздуха в помещениях три аспекта. Во-
первых, все больше веществ и оборудова-
ния, используемых дома и/или в оффисах,
выделяют потенциально опасные испаре-
ния. Во-вторых, помещения становятся
все более и более герметичными, следо-
вательно, попав туда, загрязняющие ве-
12. АТМОСФЕРНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ И БОРЬБА С НИМ
377
щества накапливаются до опасных уров-
ней. В-третьих, экспозиция загрязнению
внутри помещений юраздо длительнее,
чем на открытом воздухе. В среднем чело-
век проводит в помещении 70-80% своего
времени, причем у тех, кто больше всего
уязвим для загрязнения, а именно ма-
леньких детей, беременных женщин, по-
жилых людей и хронических больных,
этот процент еще выше. Существует мно-
жество источников загрязнения воздуха
в помещениях. Среди них:
формальдегид и другие синтетичес-
кие органические соединения (применяе-
мые при склеивании фанеры и ДСП, а
также в качестве «мягчителей» для по-
ристой резины и пластиковых обивочных
материалов);
- разнообразные продукты, образую-
щиеся при сжигании всякой всячины в
печах и каминах;
- продукты неполного сгорания топли-
ва и примеси к нему из нагревательных
систем типа газовых или мазутных плит,
керосинок и дровяных печей; при хорошей
герметизации помещений небезопасно
даже полное сгорание топлива, так как
сильно понижается содержание в воздухе
кислорода;
- испарения жидкостей для мытья по-
суды и сантехники, а также других «силь-
ных» моющих средств;
испарение клеев и других материа-
лов, используемых для домашних по-
делок;
пестициды;
освежители воздуха и дезинфицирую-
щие средства; большинство освежителей
либо подавляет чувство обоняния, либо
привносит «сильный» аромат, заглушаю-
щий неприятный запах, гак что о «све-
жести» воздуха речь не идет;
- аэрозоли всех видов;
- радон-радиоактвный газ, образую-
щийся при спонтанном расщеплении ра-
диоактивных веществ в недрах земли; он
поднимается к поверхности земли и сос-
тавляет часть естественного воздействую-
щего на всех нас радиоактивного фона
(см. гл. 20); когда теплый воздух выходит
сквозь крыши домов, создается разреже-
ние, и радон, поступая через нижние эта-
Рис. 12-25. Асбест это природный минерал
с кристаллами в форме тонких волокон. Так
как он не горюч, его широко использовали для
обкладки отопительных груб и звукоизоляции
в школах и других общественных зданиях.
Впоследствии было обнаружено, что вдыхание
асбестовой пыли может привести к раку легких
(фого автора)
жи, может задерживаться в помещении,
достигая опасных уровней;
асбест природный минерал, состоя-
щий из волокнистых кристаллов (рис. 12-
25); его добывают из земли и широко
используют в качестве теплоизоляцион-
ного и огнеупорного материала для об-
кладки труб парового отопления, пере-
слаивания перекрытий в общественных
зданиях, покрытия гладильных досок и
т.п., в некоторых красках и кровельных
материалах; в 1960-х гг. было обнаруже-
но, что вдыхание асбестовой пыли связано
с уникальной формой рака легких, кото-
рая может проявиться через 20 -30 лет
после экспозиции; Агентство охраны окру-
жающей среды обратило внимание на
асбест с середины 1970-х гг. и развернуло
широкомасштабную кампанию за удале-
ние его из школьных помещений; однако
эта программа выполнялась медленно, во
многих зданиях, где используется мно-
жество изделий из этого минерала, асбест
остается до сих пор;
-курение; оно несет несравненно боль-
ший риск, чем среднее воздействие любо-
го из перечисленных веществ, и может
давать синергический эффект вместе с
другими загрязнителями внутри (и вне)
378
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
помещений; доказано также, что курение
повышает риск для тех, кому приходится
курить «пассивно».
Что Вы можете сделать для снижения
загрязнения воздуха в помещениях? Если
Вы курите, бросьте и запретите другим
курить в Вашем присутствии и у Вас
дома. Сведите до минимума употребле-
ние агрессивных химикатов и раствори-
телей. Плотно закрывайте крышки ем-
костей и выбрасывайте пропитанную хи-
микатами ветошь в герметичные контей-
неры. Для мытья посуды применяйте пи-
щевую соду и уксус. Аккуратно пользуй-
тесь плитами, дровяными печами, керо-
синками и каминами. Огромное значение
имеет вентиляция. Открывайте двери и
окна при пользовании агрессивными и
пахучими веществами. Регулярно провет-
ривайте помещение даже зимой, особенно
если оно хорошо изолировано. Тепло
держится в основном в стенах и мебели,
а не в воздухе, поэтому, если открыть
окно или дверь на 15-30 с (этого вполне
достаточно для смены воздуха), потери
тепла будут невелики.
Пример
Влияние загрязнения
воздуха на деревья
Повсюду в Европе и США загрязнение
воздуха в результате сжигания ископае-
мого топлива повреждает и губит де-
ревья. Сильно пострадали от озона сосны
желтая и Жеффрея в Калифорнии, а также
веймутова сосна на востоке США. Пола-
гают, что загрязнение воздуха привело к
деградации высокогорных сообществ
красной ели в Аппалачах от Вермонта до
Северной Каролины. На подверженных
загрязнению опытных участках в горах
штатов Нью-Йорк, Вермонт и Нью-
Гэмпшир с 1962 по 1992 г. обилие красной
ели снизилось на 50-80%. К 1987 г. на
западных склонах горы Митчелл (Север-
ная Каролина) погибла почти половина
красной ели и пихты Фразера. В этом не
повинны ни насекомые, ни болезни. За-
грязнение воздуха-также главная
Согласно существующему в настоящее время
представлению о их возможной роли в вырож-
дении лесов, озон и кислотные осадки могут
вызывать дефицит биогенов в почве под
хвойными деревьями (Mohncn, Volker A., “The
Challenge of Acid Rain”, Scientific American,
август 1988. Copyright 1988 by Scientific Ameri-
can, Inc. All rights reserved)
предполагаемая причина необъяснимого
повышения смертности экономически
ценной желтой сосны на юго-востоке
12. АТМОСФЕРНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ И БОРЬБА С НИМ
379
США и сахарного клена в северо-восточ-
ных штатах и Канаде.
В гибели этих растений повинны кис-
лотные осадки и озон. В тех местах, где
вымирают деревья, содержание этих заг-
рязнителей достигает особенно высоких
уровней. Вдоль цепи Аппалачей макси-
мальная кислотность облачной влаги вы-
ше, чем у незагрязненных осадков, более
чем в 1000 раз (отмечался pH 2,2). Содер-
жание озона над этими горами часто
вдвое выше, чем на равнине.
Исследователи в Европе и США обна-
ружили, что озон и кислотные осадки
вредят деревьям как непосредственно,
повреждая хвою и листья, так и косвенно,
выщелачивая из почвы необходимые для
их роста биогены. Сосны особенно чувст-
вительны к озону, который проникает в
их хвою и разрушает клетки, содержащие
хлорофил. Это затрудняет фотосинтез и
ослабляет рост деревьев. Интенсивность
фотосинтеза падает еще до появления ви-
димых повреждений, т. е. их отсутствие не
обязательно свидетельствует о хорошем
состоянии деревьев. Озон также ускоряет
выщелачивание из хвои важных биогенов
кислотными осадками.
Эксперименты подтвердили, что дож-
ди и облака с высокой кислотностью мо-
гут вымывать магний, калий и кальций
как из хвои деревьев, так и из почвы, на
которой они растут. Когда эти питатель-
ные элементы удаляются из хвои, деревья
пытаются возместить потерю, усилив их
всасывание из почвы. Если почва уже
выщелочена кислотными осадками, расте-
ния не могут компенсировать утраченные
биогены, и у них появляются признаки
«голодания», например пожелтение хвои.
Когда деревья ослаблены загрязне-
нием, они становятся чувствительны к
естественным стрессам типа насекомых-
вредителей, болезней, колебаний климата
(засух, заморозков и т.п.), которым спо-
собны были противостоять до этого. Зна-
чение ущерба, причиняемого лесам, не
исчерпывается гибелью поврежденных
деревьев. Когда воздействие загрязнения
воздуха усиливается, может нарушаться
вся экосистема в целом. В отличие от
здоровой, обычно выдерживающей пе-
риодические пожары и нашествия насеко-
мых, она при хронической экспозиции ат-
мосферному загрязнению, постепенно те-
ряет способность справляться с природ-
ными стрессами. Некоторые ученые счи-
тают, что любая экосистема в этих усло-
виях рано или поздно прекратит свое
существование.
Джеймз Дж. Макензи
Институт мировых ресурсов
13
Кислотные осадки, парниковый эффект
и нарушение озонового экрана
Раздел
Учебные вопросы
I. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ.............382
А. Понятие кислотности..........382
1. Кислоты, основания и вода . . . 382
2. pH: измерение кислотности . . . 383
Б. Распространение и «сила» кислотных осад-
ков ..............................385
В. Источники кислотных осадков . . . 386
Г. Влияние кислотных осадков на экосисте-
мы ...............................388
1. Влияние на водные экосистемы . 388
2. Влияние на леса...............390
а. Прямой контакт.............390
б. Выщелачивание биогенов . . 391
в. Мобилизация алюминия и других
токсичных элементов . . . . 391
Д. Снижение буферной емкости и прогноз на
будущее.............................393
Е. Влияние на людей и изделия .... 394
Ж. Стратегии борьбы с кислотными осадка-
ми ................................395
1. Устранение симптомов............395
2. Сокращение выбросов кислотообразую-
щих веществ.......................396
1. Дайте определение кислотных осадков.
Назовите их типы.
2. Опишите химическую природу кислот
и оснований. Объясните, как кислота
нейтрализует основание. Почему воду
считают нейтральной?
3. Расскажите о шкале pH. Какие значе-
ния pH относятся к кислым, щелочным,
нейтральным*! Какова разница между
соседними единицами pH?
4. Как широко распространены кислот-
ные осадки? Насколько они кислее
нормальных?
5. Назовите две важнейшие кислоты, при-
сутствующие в кислотных осадках, и
поясните, откуда они берутся.
6. Расскажите, как кислотные осадки
влияют на водные экосистемы. Как их
нарушение сказывается на обитателях
суши?
7. Опишите три пути влияния кислотных
осадков на леса. Приведите примеры
отмирающих лесов.
8. Дайте определение буфера и буферной
емкости. Объясните, почему некото-
рые экосистемы сохраняются, а другие
разрушаются под влиянием одинако-
вого количества кислотных осадков.
9. Расскажите, как кислотные осадки воз-
действуют на памятники и скульптуры.
Проведите параллель между этим яв-
лением и потерей буферной емкости.
10. Расскажите, как фермеры поддержи-
вают pH своих почв. Можно ли это
применить к любым экосистемам?
11. Как можно сократить выбросы кисло-
13. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ, ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, ОЗОНОВЫЙ ЭКРАН
381
а. Замена топлива.............396
б. Промывание угля............396
в. Сжигание в псевдоожиженном
слое...........................396
г. Скрубберы..................396
д. Альтернативные электростанции и
энергосбережение..............396
3. На пути к гибели биосферы . . . 399
4. Что Вы можете сделать .... 400
II. ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ.................400
А. Улавливание тепла углекислым газом 400
Б. Источники углекислого газа .... 400
В. Другие парниковые газы.........402
Г. Степень потепления и его возможные по-
следствия ......................402
Д. Существует ли парниковый эффект? 404
Е. Стратегии борьбы с парниковым эффек-
том. Что Вы можете сделать . . . 405
Пример. Парниковый эффект..........410
III. НАРУШЕНИЕ ОЗОНОВОГО ЭКРАНА . 407
А. Природа и значение озонового экрана 407
Б. Формирование и разрушение озонового
экрана.......................407
В. Источники атомов хлора, поступающих
в стратосферу...................407
Г. Озоновая <\дыра»................409
Д. Борьба с истощением запасов озона. 410
Е. Что Вы можете сделать .... 410
тообразующих веществ с угольных
электростанций? Какие методы осу-
ществимы в ближайшем будущей? В
долгосрочной перспективе?
12. Под какими предлогами производите-
ли электроэнергии отказываются от
внедрения очистных сооружений? До-
кажите ложность этих аргументов. Что
делает общественность для борьбы с
этим?
13. Расскажите, что Вы .можете сделать
для борьбы с кислотными осадками.
14. Как углекислый газ улавливает тепло?
Как меняется уровень содержания
этого газа в атмосфере?
15. Откуда поступает дополнительный уг-
лекислый газ? Как Вы сами его выде-
ляете? Назовите источники других
парниковых газов.
16. Опишите возможную степень потепле-
ния и последствия этого.
17. Приведите доказательства того, что
потепление, вызванное углекислым га-
зом, уже происходит.
18. Расскажите, что можно сделать, чтобы
ослабить парниковый эффект, и как Вы
в этом можете участвовать.
19. Опишите природу и значение озоново-
го экрана.
20. Расскажите, как формируется озоно-
вый экран и что ведет к его разруше-
нию.
21. Перечислите и опишите источники
хлора, поступающего в стратосферу.
Дайте определение ХФУ.
22. Где и когда впервые обнаружили на-
рушение озонового экрана. Возможно
ли оно в других районах? Объясните.
23. Что делается для борьбы с наруше-
нием озонового экрана?
24. Обсудите, что Вы можете сделать.
Из-за кислотных осадков тысячи озер
стали безжизненными, еще десятки тысяч
под угрозой, гибнут леса. Потепление
климата, сулящее миру небывалые засухи
и другие климатические нарушения, - ре-
зультат накопления в атмосфере углекис-
лого и других «парниковых» газов. Всей
жизни на Земле угрожает увеличение
ультрафиолетовой радиации из-за ослаб-
ления озонового экрана. Все гри эти про-
цесса происходят в результате антропо-
генных изменений, различных форм за-
грязнения, достигающего глобальных
масштабов и влияющего на биосферу в
382
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 13-1. Кислотные осадки. Выбрасываемые
в атмосферу оксиды серы и азота реагируют
там с парами воды, образуются соответст-
вующие кислоты, которые возвращаются на
землю в виде сухих отложений или в смеси
с водой, из-за чего осадки становятся ненор-
мально кислыми. Их влияние на экосистемы
многообразно
целом. В настоящей главе мы рассмотрим
его причины и возможные пути разре-
шения проблемы.
Кислотные осадки
Кислотными называют любые осад-
ки - дожди, туманы, снег, - кислотность
которых выше нормальной. К ним также
относят выпадение из атмосферы сухих
кислых частиц, более узко называемых
кислотными отложениями. В двух словах,
на обширных территориях США, Европы
и других промышленно развитых зон ми-
ра выпадают осадки, кислотность кото-
рых превышает нормальную в 10-1000
раз. Это по-разному воздействует на эко-
системы, как показано на рис. 13-1 и
объясняется ниже.
Однако, чтобы понять существо проб-
лемы, в первую очередь необходимо кое-
что знать о природе и способах измерения
кислотности.
Понятие кислотности
Кислоты, основания и вода
Кислотные свойства (кислый вкус и
разъедание многих материалов) обуслов-
лены присутствием чрезвычайно актив-
ных ионов водорода (Н+), т. е. атомов
водорода без электронной оболочки. Та-
ким образом, кислота-это любое хими-
ческое вещество, высвобождающее при
растворении в воде ионы водорода. Хи-
мические формулы нескольких наиболее
обычных кислот приведены в табл. 13-1.
Обратите внимание, что все они диссо-
циируют, т. е. распадаются на ионы водо-
рода и отрицательный ион кислотного
остатка. Чем больше концентрация водо-
родных ионов в растворе, тем выше его
кислотность. Аналогичным образом
горький вкус и едкость растворов всех
щелочей, или оснований, обусловлены
присутствием гидроксильных ионов
(ОН - ), т.е. кислород-водородной группы
13. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ, ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, ОЗОНОВЫЙ ЭКРАН
383
Таблица 13-1. Обычные кислоты и основания
Кислота Формула Дает Ионы Н + Отрицательный ион
Соляная НС1 > Н + + С1~ (хлорид)
Серная H2SO4 > 2Н + + SO4“ (сульфат)
Азотная HNO3 > Н + + NO” (нитрат)
Фосфорная н3ро4 > зн+ + РО4~ (фосфат)
Уксусная СН3СООН ► н+ + СН3СОО“ (ацетат)
Основание Формула Дает Ионы ОН Положительный ион
Гидроксид натрия NaOH ► ОН" + Na+ (ион натрия)
Гидроксид калия КОН ► ОН~ + К+ (ион калия)
Гидроксид кальция Са(ОН)2 ► 2ОН- + Са2+ (ион кальция)
Гидроксид аммония nh4oh > ОН“ + NH+ (ион аммония)
Рис. 13-2. Добавление основания к кислоте.
Ионы ОН“ основания соединяются с Н +
кислоты до тех пор, пока не достигается
нейтральная точка (pH 7). При дальнейшем
добавлении основания концентрация ОН"
увеличивается, и раствор становится ще-
лочным
с лишним электроном. Следовательно,
основание - это любое химическое вещест-
во, способное высвобождать ионы ОН“
(табл. 13-1).
Вам, вероятно, известно, что кислоты
и основания нейтрализуют друг друга.
Это происходит в результате соединения
ионов Н+ и ОН“ с образованием НОН
(иначе Н2 О), т. е. воды. Добавляя основа-
ние к кислотному раствору, мы постепен-
но снижаем его кислотность, объединяя
ионы Н+ и ОН" до тех пор, пока не будет
достигнута нейтральная точка, соответст-
вующая чистой воде. Затем начнется
постепенное повышение основности. Та-
ким образом, наблюдается плавный пере-
ход от кислой среды через нейтральную
к щелочной, или основной (рис. 13-2).
Равновесное, или нейтральное, состояние
между кислотой и основанием-вода; дру-
гими словами, у воды нейтральная реак-
ция. Ионы, остающиеся в растворе от
кислоты и основания, образуют соль и не
влияют на реакцию среды.
pH: измерение кислотности
Реальная концентрация ионов водо-
рода вдоль кислотно-основного градиен-
та выражается в единицах водородного
показателя, или pH. Шкала pH идет от
О (крайне высокая кислотность), через
точку 7 (нейтральная среда) до 14 (крайне
384
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 13-3. Шкала pH
высокая основность) (рис. 13-3). Эти циф-
ры - отрицательный десятичный лога-
рифм концентрации ионов водорода, вы-
раженной в граммах на литр. Например,
pH = 1 означает, что концентрация Н +
составляет 10“ \ или ОД г/л; pH = 2- 10“2 * * * *,
или 0,01 г/л, и т.д.
В точке pH = 7 концентрация Н+ со-
ставляет 10” 7 В * * * * (0,0000001) г/л, но при этом
концентрация ОН” такая же. Значит, при
нейтральной реакции среды небольшие,
но равные количества ионов Н+ и ОН”
присутствуют даже в чистой воде. Величи-
ны pH больше семи продолжают выра-
жать отрицательный логарифм концент-
рации ионов водорода, но важнее то, что
они также обозначают увеличение кон-
центрации ОН”. Например, при pH = 13
в растворе 10“13 (двенадцать нулей и еди-
ничка после запятой) г/л Н+. Однако
концентрация ОН” в этой точке равна
КГ1.
Важно отметить, что, поскольку циф-
ры на шкале pH выражают степени 10, то
разница между каждыми двумя соседни-
ми единицами десятикратная. Напри-
мер, при pH = 5 кислотность в десять раз
выше (в десять раз больше ионов Н+), чем
при pH = 6; при pH = 4 в 10 раз выше,
чем при pH = 5, и т. д. Между pH 6 и pH
3 существует разница в 1000 раз (трижды
в 10 раз: 10 х 10 х 10 = 1000). Это же
справедливо и для ионов ОН” при pH
выше 7.
Значение pH легко измерить с по-
мощью индикаторной бумаги, которая
есть в любой лаборатории. Такая бумага
содержит пигменты, легко отдающие или
присоединяющие ионы водорода* в зави-
симости от pH среды и меняющие при
этом цвет. Полоску индикаторной бумаги
опускают в раствор и сверяют ее цвет
с прилагаемым эталоном. Существуют
и более дорогие электронные приборы
для измерения pH.
Рис. 13-4. У нормального дождя pH = 5,6. т. е.
он слабокислотный, гак как, растворяясь
в воде, углекислый газ образует слабую
кислоту
13. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ, ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, ОЗОНОВЫЙ ЭКРАН
385
Распространение и «сила»
кислотных осадков
В отсутствие любых загрязнителей
у дождевой воды обычно слабокислая
реакция (pH = 5,6), поскольку в ней легко
растворяется углекислый газ из воздуха
с образованием слабой угольной кислоты
(рис. 13-4). Таким образом, кислотными
точнее называть осадки с pH 5,5 и ниже.
К сожалению, они выпадают в боль-
шинстве промышленных районов мира.
Рис. 13-5. Области выпадения кислотных осад-
ков. Мониторинг pH осадков показывает их
кислотный характер на большей части США
и Канады. Особенно страдают северо-восток
и западное побережье (Министерство окру-
жающей среды провинции Онтарио)
Над восточной частью США и Канады,
вдоль западного побережья Северной
Америки, а также почти над всей Европой
pH дождя и снега обычно составляет око-
ло 4,5 (рис. 13-5). Многие места в преде-
лах этих регионов регулярно получают
осадки с pH 4,0. Это-средние цифры.
В отдельных случаях pH дождя может
быть гораздо ниже, а туман и роса быва-
ют более кислыми, чем дождь. Исследо-
ватели из Калифорнийского технологи-
ческого института обнаружили, что у ту-
мана в районе Лос-Анджелеса pH обычно
составляет между 2,5 и 3. В горных лесах
восточнее Лос-Анджелеса pH капель ту-
мана, стекающих с сосновой хвои, оказал-
ся 2,8. Короче говоря, на значительных
площадях промышленных зон и вокруг
крупных городов осадки, как правило,
в 10-1000 раз кислее нормальных, и отме-
386
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
чались случаи их pH 1,5, т. е. в 10 000 раз
более высокой концентрации ионов во-
дорода.
Источники кислотных
осадков
Химический анализ кислотных осад-
ков показывает присутствие серной
(H2SO4) и азотной (HNO3) кислот.
Обычно кислотность на две трети обус-
ловлена первой из них и на одну треть-
второй. Присутствие в этих формулах се-
ры и азота показывает, что проблема
связана с выбросами данных элементов
в воздух. Как известно, при сжигании
топлива образуются диоксид серы и окси-
ды азота (гл. 12), значит, можно дога-
даться и об источнике кислотных осадков.
Доказательства были получены при ана-
лизах облачной влаги и в экспериментах,
четко подтверждающих, что диоксид серы
и оксиды азота постепенно реагируют с
парами воды, давая через несколько эта-
пов кислоты:
SO2 + H2O->H2SO4,
no2 + H2O->HNO3.
как воды в них относительно больше.
У туманов pH может упасть ниже всего,
поскольку здесь кислоты растворены в
относительно меньшем количестве влаги.
В настоящее время известно, что кис-
лоты могут выпадать из атмосферы и без
воды сами по себе или с частицами пыли.
Такие сухие кислотные отложения могут
накапливаться на поверхности растений
и при смачивании небольшим количест-
вом влаги, например при выпадении ро-
сы, давать сильные кислоты. Следова-
тельно, к кислотным осадкам надо отно-
сить и кислотную росу.
Согласно данным об общих объемах
выбросов диоксида серы и оксидов азота
из разных источников (гл. 12), кислотные
осадки связаны в первую очередь с рабо-
той угольных электростанций, транспорта
и промышленных предприятий. На
рис. 13-6 показано количественное соотно-
шение выбросов диоксида серы и оксидов
азота из различных источников в США.
Так как кислотность осадков на две трети
обусловлена диоксидом серы, а три чет-
верти этого вещества выбрасывается в
воздух угольными электростанциями, их
Вымывая из атмосферы эти кислоты,
осадки становятся кислотными. Их pH
зависит от количества как кислот, так
и воды, в которой они растворены. Силь-
ные дожди обычно менее кислотные, так
ДИОКСИД СЕРЫ
А
Рис. 13-6. Источники кислотообразующих за-
грязнителей в 31 восточном штате: Л-диоксид
серы; Б- оксиды азота (Бюро технологической
аттестации, данные за 1980 г.)
ОКСИДЫ АЗОТА
б
13. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ, ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, ОЗОНОВЫЙ ЭКРАН
387
Рис. 13-7. А. Обычные трубы на этой угольной
электростанции в Шовилле (Пенсильвания)
были заменены трехсотметровыми для рассеи-
вания загрязняющих веществ в более высоких
слоях атмосферы. Это решает местные пробле-
мы, но создает более широкомасштабные. Б.
Местоположение 50 крупнейших источников
атмосферного диоксида серы. Все это-уголь-
ные электростанции. На них приходится 74%
выбросов диоксида серы и значительная часть
выбросов оксидов азота (A: Photo Researchers,
© 1984, Grapes Michaud; Б: “Acid Rain a Major
Threat to the Ecosystem”, Conservation Founda-
tion Letter, December, 1982)
388
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
работой объясняется более 50% кислот-
ных осадков, выпадающих над восточной
частью США и Канады.
Кроме того, местоположение основ-
ных загрязняющих среду электростанций
можно определить, изучая космические
снимки облаков перед выпадением кис-
лотных осадков. Таким образом, для
востока США установлено, что источник
более 50% таких осадков - высокие трубы
примерно 50 огромных ТЭС (рис. 13-7).
Как уже говорилось, эти трубы были
построены специально для уменьшения
загрязнения приземного воздуха диокси-
дом серы. Неудачный подход к решению
проблемы (рассеивание загрязнителей)
привели к усиленному превращению ди-
оксида серы и оксидов азота в кислоты
и к их распространению на сотни миль от
источника (рис. 13-8).
Влияние кислотных осадков
на экосистемы
Уже более ста лет кислотные осадки
признаются серьезной проблемой в ин-
дустриальных и прилегающих к ним райо-
нах, но их влияние на экосистемы было
отмечено только около 35 лет назад, ког-
да рыбаки заметили резкое сокращение
Рис. 13-8. Основные направления зимних
и летних ветров. Кислотообразующие выбросы
из высоких труб ТЭС, расположенных в долине
Огайо, выпадают с осадками в основном
в Новой Англии и на востоке Канады (Ми-
нистерство окружающей среды провинции
Онтарио)
популяций рыбы во многих озерах Шве-
ции, провинции Онтарио (Канада) и гор
Адирондак (шт. Нью-Йорк). В поисках
причины этого были предложены разно-
образные гипотезы. Шведские ученые пер-
выми определили, что все дело в повы-
шенной кислотности воды, и связали ее *
с ненормально низкими значениями pH
осадков. С тех пор по мере распростране-
ния экологического ущерба выяснились
различные пути разрушительного влия-
ния осадков на экосистемы. Рассмотрим,
как это происходит.
Влияние на водные экосистемы
Значение pH среды чрезвычайно важ-
но, так как от него зависит деятельность
практически всех ферментов, гормонов
и других белков в организме, регулирую-
щих метаболизм, рост и развитие. На
крупные виды незначительные изменения
pH внешней среды могут и не оказывать
13. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ, ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, ОЗОНОВЫЙ ЭКРАН
389
2 3 4 РН 5 6 7
Процент таксонов N> СЛ -4 0 -1 О 'Л 2 Водоросли
Насекомые
Моллюски
ГубКИ
Пиявки
Зоопланктон
Рыбы
Лягушки
Рис. 13-9. Влияние pH среды на различные
организмы. Некоторые из них более устойчивы
к низким значениям pH, чем другие, но лишь
немногие выживают при pH ниже 4,5, а нару-
шение экосистем наступает даже при вымира-
нии только самых чувствительных видов
(Бюро технологической аттестации)
Рис. 13-10. Подкисление озер и рек серьезно
влияет и на сухопутных животных, так как
многие птицы и звери входят в состав пищевых
цепей, начинающихся в водных экосистемах
390
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
сильного влияния, так как метаболизм
поддерживает внутренний pH на должном
уровне, а кожа обеспечивает более или
менее надежную защиту от нарушений.
Однако яйцеклетки, сперма и молодь вод-
ных обитателей защищены недостаточно.
При изменении реакции воды всего лишь
на одну единицу pH по сравнению с опти-
мумом они в большинстве случаев испы-
тывают серьезный стресс и часто поги-
бают. У пресноводных озер, ручьев и пру-
дов pH воды обычно составляют 6-7,
и организмы адаптированы именно к
этому уровню.
Когда среда водных экосистем под-
кислена, практически все организмы быст-
ро вымирают, если не из-за прямого воз-
действия ионов Н+, то из-за невозмож-
ности размножения (рис. 13-9). Влияние
кислотных осадков на экосистемы иногда
усиливается в период таяния снегов, когда
все накопившиеся за зиму кислотные
осадки устремляются в ручьи и реки как
раз в период размножения большинства
организмов.
Дополнительный ущерб возникает в
связи с тем, что кислотные осадки, проса-
чиваясь сквозь почву, способны выщела-
чивать алюминий и тяжелые металлы.
Обычно присутствие этих элементов в
почве не создает проблем, так как они
связаны в нерастворимые соединения и,
следовательно, не поглощаются организ-
мами. Однако при низких значениях pH
их соединения растворяются, становятся
доступными и оказывают сильное ток-
сичное воздействие как на растения, так
и на животных. Например, алюминий,
довольно обильный во многих почвах,
попадая в озера, вызывает аномалии раз-
вития и гибель эмбрионов рыбы.
В Швеции и Норвегии рыба погибла
примерно в 6500 озерах и 7 реках, в кото-
рых водилась семга. В канадской провин-
ции Онтарио около 1200 озер в настоящее
время мертвы; в горах Адирондак, люби-
мой зоне отдыха нью-йоркцев, более 200
озер лишены рыбы, причем во многих из
них выжило лишь несколько видов бакте-
рий. Внешний вид таких водоемов обман-
чив. Их вода чистая и голубая-признак
как будто здорового олиготрофного
состояния. Однако в глубине зрелище
мрачное. «Свет свободно проникает сквозь
чистую воду, но следов жизни нигде не
видно; эти озера совершенно пустынные.
Ущерб не ограничивается гибелью
рыбы и других водных обитателей. Мно-
гие пищевые цепи, охватывающие почти
всех диких животных, начинаются в
ручьях и реках. Например, в горах Ади-
рондак, где в озерах уже не осталось
рыбы, натуралисты заметили полное от-
сутствие гагар и другой водоплавающей
дичи. Резко сократились популяции птиц,
питающихся насекомыми, личинки кото-
рых развиваются в воде, а также енотов
и многих других млекопитающих. Если
так будет продолжаться, не трудно
представить себе, что произойдет с гуся-
ми и другими перелетными птицами; ведь
они останавливаются и кормятся на дру-
гих озерах (рис. 13-10).
Влияние на леса
Наряду с гибелью озер становится
очевидной и деградация лесов. С 1963 по
1973 г. прирост ели в горах Грин-Маун-
тинс (Вермонт) сократился на 50%. Позд-
нее ученые наблюдали аналогичное за-
медление роста на обширных террито-
риях востока США и Калифорнии. Бес-
прецедентное число деревьев поражается
насекомыми-вредителями и заболевания-
ми; в Новой Англии, Калифорнии и дру-
гих районах, где выпадают кислотные
осадки, буквально вымирают некоторые
виды растений (рис. 13-11). Многие уче-
ные считают эти осадки, как и озон
(гл. 12), одной из важнейших причин де-
градации лесов, так как обнаружены сле-
дующие пути их влияния на раститель-
ность:
-нарушение поверхности при прямом
контакте;
-вымывание биогенов;
-мобилизация алюминия и других
токсичных элементов.
В свою очередь деревья, испытываю-
щие воздействие одного или нескольких
из этих стрессовых факторов, легче пора-
жаются вредителями и патогенами.
Прямой контакт. Опыты с моделиро-
13. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ, ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, ОЗОНОВЫЙ ЭКРАН
391
Рис. 13-11. Деградация лесов. Замедление рос-
та и гибель некоторых видов деревьев наблю-
даются во многих районах, страдающих от
кислотных дождей. Эти осадки вместе с други-
ми загрязнителями, по-видимому, создают
стресс, не выдерживаемый лесной экосистемой.
На снимке: лес на горе Митчелл, запад
Северной Каролины, 1985 г. (с любезного
разрешения доктора Dwight Billings, Универ-
ситет Дьюка)
ванием кислотных дождей в теплицах
продемонстрировали, что кислоты нару-
шают защитный восковой покров
листьев, делая растения более уязвимыми
для насекомых, грибов и других патоген-
ных организмов. Кроме того, во время
засух через поврежденные листья испа-
ряется больше влаги. Такое воздействие,
вероятно, сказывается особенно сильно
при густых кислотных туманах и накопле-
нии сухих кислотных отложений.
Выщелачивание биогенов. Анализ вод,
дренирующих различные природные
угодья при неодинаковых условиях, пока-
зал, что кислотные осадки значительно
увеличивают выщелачивание биогенов.
Ионы водорода легко вытесняют их ионы
с частиц почвы и гумуса (рис. 13-12).
Кроме того, при низких pH понижается
активность редуцентов и азотфиксаторов,
что еще более обостряет дефицит биоге-
нов. Наконец, кислотные осадки, стекая
по растениям, вымывают из листьев био-
гены и другие метаболиты, особенно если
поверхность листьев повреждена. Все эти
обстоятельства и каждое из них в отдель-
ности могут вызвать дефицит биогенов,
а значит, замедление роста деревьев и их
уязвимость для естественных врагов и за-
сух.
Мобилизация алюминия и других ток-
сичных элементов. Многие растения очень
чувствительны к алюминию. Этот эле-
мент широко распространен; он присутст-
вует в значительных количествах во мно-
гих горных породах и почвенных минера-
лах. В естественных условиях они практи-
чески не растворимы и поэтому безвред-
ны, но под действием кислот разрушают-
ся, высвобождая алюминий в раствор.
Этот процесс называют мобилизацией,
в данном случае - алюминия. Другие ток-
сичные элементы, в том числе ртуть и сви-
нец, также могут мобилизоваться при
подкислении среды. Кроме того, известно
синергическое действие токсичных эле-
Нейтральный водный раствор
Рис. 13-12. Кислотные осадки вымывают био-
гены из почвы. Частички гумуса и глины
обычно заряжены отрицательно и удерживают
такие положительные биогенные ионы, как К + ,
NH*, Са2 + . А. Сила притяжения достаточно
велика, чтобы удерживать ионы, несмотря на
просачивание воды. Б. Просачивающаяся
кислота уноси г биогенные ионы, так как их
вытесняет Н +
Рис. 13-13. Буферное действие. Кислоты могут
быть нейтрализованы нещелочными соедине-
ниями, которые называют буферами. Напри-
мер, известняк (карбонат кальция) реагирует
с ионами водорода, как показано на рисунке.
В результате pH остается близким к нейтраль-
ному, несмотря на добавление кислоты. Одна-
ко буфер при этом расходуется. Известняк
самый распространенный природный буфер
13. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ, ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, ОЗОНОВЫЙ ЭКРАН
393
ментов и низких pH. Все эти факторы
также могут вести к замедлению роста
и гибели деревьев.
Кислотные осадки вредны для многих
лесов сами по себе, но озон, как отмеча-
лось в гл. 12, оказывает аналогичное
влияние, а в среде обычно присутствуют
оба этих фактора. Возможно, существует
синергическое взаимодействие между
озоном и кислотными осадками (см. при-
мер к гл. 12).
Снижение буферной емкости
и прогноз на будущее
Многие районы получают примерно
одинаковое количество кислотных осад-
ков, но последствия их выпадения различ-
ны. Одни участки остаются практически
без изменений, тогда как другие подкис-
ляются настолько, что становятся необи-
таемыми. Как это объяснить? И главное,
как строить прогнозы на будущее? Ключ
к ответу на эти вопросы связан с поня-
тием буферной емкости.
Рис. 13-14. Регионы, чувствительные к кислот-
ным осадкам. Обширные территории Северной
Америки, особенно в Канаде, сильно страдают
от кислотных осадков, так как сложены
гранитными породами с низкой буферной
емкостью (Министерство окружающей среды
провинции Онтарио)
Защитить систему от изменения pH
при добавлении кислоты может буфер.
Так называют вещество, способное погло-
щать (или высвобождать) ионы водорода
при данном значении pH. Когда в систе-
му, содержащую буфер, добавляют кисло-
ту, дополнительные ионы водорода им
поглощаются и pH остается практически
неизменным.
Многие, но далеко не все водоемы
и почвы содержат в качестве буфера из-
вестняк, т. е. карбонат кальция (СаСО3).
Как показано на рис. 13-13, реакция ионов
водорода с карбонат-ионами (СО3 “ ) дает
воду и углекислый газ. Это вызывает
«шипение» кислоты, капнувшей на из-
вестняк. Фермеры давно используют из-
весть (измельченный известняк) для ней-
трализации кислых почв. Садовники охот-
но применяют для тех же целей яичную
скорлупу, раковины устриц и других съе-
добных моллюсков, также состоящие из
карбоната кальция.
Однако возможности любого буфера
ограничены. Известь, например, просто
расходуется, реагируя с кислотой. Поэто-
му говорят о буферной емкости системы.
Когда она исчерпана, дополнительные
ионы водорода остаются в растворе и
происходит соответствующее понижение
pH среды.
При одинаковом количестве кислот-
ных осадков в первую очередь подкис-
ляются и гибнут экосистемы с низкой
буферной емкостью, а те, у которых она
достаточно высока, не страдают. Но что
произойдет в будущем, если выпадение
кислотных осадков будет продолжаться?
К несчастью, у горных пород и почвы
существенной части территории Канады
и США буферная емкость низка (рис.
13-14) и сейчас быстро падает. Недавние
исследования в США к востоку от реки
Миссисипи, проводимые Бюро конгресса
по технологической аттестации, показали,
что из 17 059 озер у 2993 (около 16%) уже
есть признаки нарушений, а еще 6430
(около 30%) находятся под угрозой, так
как у них очень низкая остаточая буфер-
ная емкость. Из общей протяженности
ручьев и рек, составляющей 187 876 км,
21% уже нарушен кислотными осадками
14 2199
394
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Буфер
истощен
7 - Буфер |
присутствует
6 - X
5 -
4 -
рН 3:
2 - V
1 -
о L_।—।—।—1—।—।—।—।—।—l
Добавленная кис лота, мл
Рис. 13-15. Истощение буферной емкости.
После истощения буферной емкости системы
изменение pH происходит не постепенно. При
добавлении совсем небольшого количества
кислоты pH резко падает. Следовательно,
катастрофические изменения могут не оставить
времени на исправление ситуации
и еще 21% находится под угрозой. Хотя
хуже всего дело обстоит на Среднем За-
паде и северо-западе США, где под угро-
зой почти 80% озер и рек, нарушения
отмечены почти во всех штатах от Мэна
до Флориды. Одна лишь провинция Онта-
рио, вероятно, потеряет в ближайшие 15
лет еще 48 000 озер, если режим выпаде-
ния кислотных осадков останется преж-
ним.
Быстрое снижение pH, происходящее
при истощении буферной емкости, заслу-
живает особого внимания. Графически
этот процесс изображен на рис. 13-15.
Обратите внимание, что, пока присутст-
вует буфер, поступление в среду значи-
тельного количества кислоты не влияет на
pH. Однако, когда буферная емкость ис-
тощена, pH резко падает при добавлении
буквально нескольких ее капель. Теперь
ясно, какие могут быть последствия?
Прежде всего вызывает беспокойство
возможность резкого усиления кислотно-
го воздействия при исчерпании буферной
емкости. Показателен пример из Европы.
На границе между Восточной Германией
и Чехией, где выпадало много кислотных
осадков, с вызывавшей беспокойство ско-
ростью гибли леса. В 1980 г. 60% пихт
здесь были здоровы. Через два года 98%
их погибли или оказались на грани гибе-
ли. Столь же быстрая деградация лесов
происходила по всей Западной Германии.
По данным немецкого правительства, это
результат увеличения загрязнения с 8 до
50% всего за два года (1982-1984). Сейчас
в Северной Европе от этого пострадало
около 50% лесов. Немецкие исследова-
тели предупреждают, что симптомы, на-
блюдавшиеся в лесах США в 1985 г.,
очень похожи на отмеченные в Германии
в 1980 г.
Можно предположить, что происходит
с дикими видами животных, когда отми-
рают леса. Если лесная экосистема разру-
шается внезапно, эрозия почвы, засорение
водоемов, наводнения и ухудшение запа-
сов воды становятся катастрофическими.
Самое меньшее, можно ожидать сукцес-
сию, при которой погибшие деревья будут
замещены ацидофильными (т.е. «любя-
щими кислотность») видами, состав кото-
рых очень ограничен. Большинство из
них-это мхи, папоротники и другие
низкорослые растения, не представляю-
щие экономической ценности даже для
выпаса.
Влияние на людей и изделия
С точки зрения неспециалиста, одно из
наиболее ощутимых последствий кислот-
ных осадков-разрушение произведений
искусства. Известняк и мрамор (тоже раз-
новидность известняка) - излюбленные
материалы для оформления фасадов зда-
ний и сооружения памятников. Взаимо-
действие кислоты и известняка (см. рис.
13-13) приводит к их очень быстрому
выветриванию и эрозии. Памятники и
здания, простоявшие сотни и даже тысячи
лет лишь с незначительными изменения-
ми, сейчас растворяются и рассыпаются
в крошево (рис. 13-16).
Хотя такие потери трагичны сами по
себе, это еще и печальное напоминание
о снижении человеком буферной емкости
экосистем.
Более того, некоторые специалисты
обеспокоены тем, что мобилизация кис-
лотными осадками алюминия и других
13. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ, ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, ОЗОНОВЫЙ ЭКРАН
395
Рис. 13-16. Разрушительное воздействие кис-
лотных дождей на каменные изделия. Изобра-
женная здесь статуя находится в Руре, про-
мышленной области на западе Германии. А. Ее
внешний вид в 1908 г. Б. Она же в 1969 г.
Изваянная в 1702 г., статуя сильнее пострадала
за последние 60 лет, чем за предыдущие 200
(Е. М. Winkler “Stone Properties, Durability in
Man’s Environment”. Schmidt-Thomsen, Lan-
destenkmalamt, Westfalen-Lippe, Мюнстер, Гер-
мания)
токсичных элементов может привести к
загрязнению как поверхностных, так и
грунтовых вод. Как показано недавно,
алюминий способен вызывать болезнь
Альцгеймера, разновидность преждевре-
менного старения. Повышенная кислот-
ность воды мобилизует также свинец,
употреблявшийся раньше при строи-
тельстве водопроводно-канализационных
систем и для пайки медных труб. Таким
образом, увеличение кислотности, вполне
вероятно, обостряет проблему загрязне-
ния среды ядовитыми химикатами
(гл. 11).
Однако, если выпадение кислотных
осадков будет и в дальнейшем продол-
жаться в прежнем объеме, гораздо боль-
шее воздействие на человечество окажут
потери озер и лесов, их экономической,
экологической и эстетической ценности,
а также последствия усиленной почвенной
эрозии. Очевидно, что отсутствие прием-
лемой стратегии борьбы с этими осадка-
ми подрывает основы устойчивого разви-
тия общества.
Стратегии борьбы
с кислотными осадками
Устранение симптомов
Как уже отмечалось, фермеры под-
держивают pH своих почв известкова-
нием. Кроме того, известь добавляют в
некоторые озера, хотя неизвестно, спо-
собствует ли это сохранению естествен-
ной экосистемы. Однако только на восто-
ке США и Канады более 1 млн. кв. миль
территории подвергается воздействию
кислотных осадков. Трудно даже предста-
вить себе затраты труда и денег, которые
потребуются для известкования таких
площадей. Следовательно, нужно напра-
14*
396
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
вить усилия на сокращение выбросов кис-
лотообразующих веществ.
Сокращение выбросов
кислотообразующих веществ
Ученые подсчитали, что сокращение
таких выбросов всего на 50% фактически
приостановило бы дальнейшее подкисле-
ние окружающей среды. Это не исправит
сложившегося положения, но, как пред-
полагается, природные буферные процес-
сы не допустят еще большего ухудшения
ситуации. Поскольку 50% всех кислото-
образующих веществ выбрасывается вы-
сокими трубами угольных электростан-
ций, стратегии борьбы с выбросами
ориентированы в основном на эти источ-
ники. Предложено шесть основных стра-
тегий: (1) замена топлива, (2) промывание
угля, (3) сжигание в псевдоожиженном
слое, (4) скрубберы, (5) альтернативные
электростанции, (6) экономия энергии.
Замена топлива. Существующие элект-
ростанции не выбрасывали бы в атмосфе-
ру диоксид серы, если бы уголь не был
загрязнен серой. Возможно ли перейти на
топливо, не содержащее или содержащее
очень мало этого элемента? У США
достаточно запасов низкосернистого угля,
но большинство из них расположено в за-
падных штатах (Монтана, Вайоминг, Ко-
лорадо и Юта). Страшно даже предста-
вить себе затраты на переброску туда
шахтеров и оборудования, а также на
ежегодную транспортировку оттуда 200
млн. т угля на электростанции востока
страны. Кроме того, у западного низко-
сернистого угля ниже теплота сгорания.
Поэтому для производства того же коли-
чества энергии его потребуется больше.
Значит, суммарное уменьшение выбросов
SO2 может оказаться небольшим. Если
перейти на низкосернистые нефть и при-
родный газ, придется увеличить импорт
этих видов топлива, что крайне нежела-
тельно, учитывая усилия США по сниже-
нию зависимости от его иностранных
источников. Перевод электростанций с
нефти на уголь в 1970-е гг. был важным
фактором повышения энергетической са-
мостоятельности США.
Промывание угля. Можно измельчать
и химически очищать уголь от серы перед
сжиганием. Но затраты на промывание
10 000 т угля в день, а именно такое
количество потребляет всего лишь одна
электростанция, нерентабельны.
Сжигание в псевдоожиженном слое.
При этом способе уголь сжигают в смеси
с песком и известью, которая постоянно
как бы кипит под действием вдуваемого
снизу воздуха (рис. 13-17). В результате
сера соединяется с известью и удаляется
с золой. При сооружении новых электро-
станций этот метод может оказаться
предпочтительным в смысле борьбы с
выбросами, но, чтобы внедрить его на уже
существующих станциях, их пришлось бы
почти полностью переоборудовать.
Скрубберы. Скрубберы - это жидкие
фильтры. Газообразные продукты сгора-.
ния пропускаются через распыленный
водный раствор извести (рис. 13-18).
Диоксид серы реагирует с ней и осаждает-
ся в виде нерастворимого сульфата каль-
ция (CaSO4). Опыт Европы, Канады и от-
части США показал, что уже существую-
щие электростанции можно оборудовать
скрубберами в относительно короткие
сроки. Они весьма эффективны в борьбе
с выбросами и не слишком дороги.
Альтернативные электростанции и
энергосбережение. Загрязнение диоксидом
серы-это всего лишь одна из проблем,
возникающих в связи с работой угольных
электростанций. К другим относятся: ши-
рокомасштабное нарушение почвенного
покрова и загрязнение водоемов при до-
быче угля, загрязнение вывозимой золой
и усугубление вызываемого углекислым
газом потепления климата. Даже если
выбросы кислотообразующих веществ
будут сведены к минимуму, эти проблемы
останутся. Следовательно, необходимы
альтернативные, более чистые способы
производства электроэнергии.
В 1950-1960-е гг. считалось, что таким
ее источником станут атомные электро-
станции. Однако, хотя АЭС и не выде-
ляют кислотообразующих соединений
или углекислого газа, они порождают
свои собственные проблемы размещения
радиоактивных отходов и заражения ок-
13. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ, ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ. ОЗОНОВЫЙ ЭКРАН
397
Рис. 13-17. Сжигание в псевдоожиженном слое.
Диоксид серы можно устранить, сжигая уголь
в смеси с песком и известью. При этом частицы
непрерывно перемешиваются потоками возду-
ха (с иллюстрации Rick Farrell, copyright. All
rights reserved)
398
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Конечный
пароуловитель
Неподвижный
лопастной
пароуловитель
Выходное
отверстие
Двойная
горловина с
регулируемой
вставкой
расширения
Влажное
колено
Привод
вставки
Сепаратор
пара
Сток
Подача
жидкости
Подача
газа
Дверца
Рис. 13-18. Скрубберы. Диоксид серы можно
устранить из отходящих газов, пропуская их
сквозь распыляемый водный раствор извести.
Диоксид серы вступает в реакцию с известью,
образующийся осадок сульфата кальция уда-
ляется. Здесь представлены два варианта таких
установок, называемых скрубберами (А: с раз-
решения FMC Corporation-Air Quality Control.
Б: вид в разрезе системы SLY IM PIN JET Gas
Scrubber, The W. W. Sly Manufacturing Compa-
ny, Кливленд, Огайо)
ружающей среды радиоактивными ве-
ществами в случае аварии. Беспокойство
общественности по поводу этой опас-
ности послужило основной причиной ог-
раничения строительства АЭС в США.
В известном смысле огромные угольные
электростанции, составляющие главный
источник кислотных осадков, призваны
были стать альтернативой атомной энер-
гетике. Тем не менее существует техноло-
гия строительства безопасных АЭС. Не
следует автоматически отклонять атом-
ную энергетику как альтернативу сжига-
нию угля. Мы подробнее остановимся на
этом вопросе в гл. 20.
В отдаленной перспективе достаточное
количество энергии предполагается по-
лучать на безопасных, экологически чис-
тых, надежных солнечных электростан-
циях, различные виды которых мы обсу-
дим с гл. 21. В ближайшем же будущем
повышение эффективности использования
электроэнергии может позволить сокра-
тить ее производство и отложить строи-
тельство новых ТЭС.
Таким образом, установка скрубберов
на угольных электростанциях почти сразу
обеспечит значительное сокращение выб-
росов в атмосферу кислотообразующих
веществ. Позднее можно в значительной
степени переключиться на альтернатив-
ные способы производства электроэнер-
гии. Кроме того, необходимо продолжать
бороться с загрязнением из других источ-
ников, особенно с выбросами оксидов
13. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ, ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, ОЗОНОВЫЙ ЭКРАН
399
азота транспортными средствами (гл. 12),
а также экономить электроэнергию.
На пути к гибели биосферы
К концу 1970-х гг. проблема кислот-
ных осадков и связь ее с угольными
электростанциями стали совершенно оче-
видны. В 1981 г. Национальная академия
наук США, изучив вопрос, пришла к вы-
воду, что свидетельств этой связи «более
чем достаточно». Дальнейшие исследова-
ния лишь подтвердили такое официаль-
ное заключение. Этот анализ вместе с на-
личием надежных скрубберов, позволял
ожидать решительных действий. На деле
же все оказалось совсем наоборот.
Электроэнергетическая промышлен-
ность использовала любые доводы, чтобы
уйти от обвинений и ответственности, из-
бежать или оттянуть введение мер по
борьбе с выбросами. Многие ее аргумен-
ты были более чем спорными. Например,
категорически заявлялось: «Все дожди
кислотные». Общественность пытались
убедить в том, что осадки с pH 4,0 или
менее ничем не отличаются от обычного
дождя с pH 5,6. Отрицалось само воз-
действие кислотных осадков на среду:
ведь у расположенных по соседству озер
часто различные значения pH. Конечно,
при этом не принималась во внимание
различная буферная емкость, сильно за-
висящая от присутствия известняков. От-
вергались все свидетельства ущерба, на-
носимого лесам кислотными осадками.
Чаще всего приводился такой довод:
ученые не способны доказать вины завода
X в подкислении озера Y; пока не будет
предъявлено неопровержимых доказа-
тельств, ни о какой ответственности не
может быть и речи. Такого рода аргумен-
ты подобны заявлению, что не стоит сле-
дить за чистотой выхлопных газов авто-
мобилей, так как нельзя выяснить, какая
именно машина создала смог, от которо-
го Джон заболел бронхитом. Это очевид-
ный абсурд. Озера и экосистемы стра-
дают от общего загрязнения атмосферы
кислотообразующими веществами, поэ-
тому нужно бороться с главным источни-
ком такого загрязнения. Нет никакого
смысла устанавливать связь между кон-
кретными озерами и конкретными
электростанциями.
Наконец, производители электроэнер-
гии заявляют, что установка скрубберов
сделает электричество недоступным по
цене. Вместо этого предлагается строить
АЭС. Интересно отметить, что 50 уголь-
ных электростанций можно оборудовать
скрубберами на средства, которые потре-
буются для строительства одной или двух
АЭС. Действительно, опыт полуправи-
тельственной промышленной компании
“Tennessee Valley Authority” (TVА) пока-
зывает увеличение расходов за счет уста-
новки и работы скрубберов всего на
3-5%.
Возмутительно, что при этом обсуж-
дении не учитывалась стоимость того
ущерба, который будет нанесен окру-
жающей среде, если не принимать мер по
борьбе с выбросами. В США кислотные
осадки могут привести к потерям
49 млрд, долларов в лесной и лесообраба-
тывающей промышленности, где занято
1,2 млн. человек. Это без ущерба, наноси-
мого зонам отдыха, водным ресурсам,
диким животным и общей эстетической
ценности среды. Национальная академия
наук США предупреждает, что продолже-
ние неконтролируемых выбросов в ат-
мосферу оксидов серы и азота «ввиду
известных отрицательных последствий
создает большую опасность» для здо-
ровья людей и состояния биосферы. Ака-
демия продолжает настаивать на ужесто-
чении борьбы с источниками кислото-
образующих соединений.
К сожалению, администрация Рейгана
упорно поддерживала производителей
электроэнергии и сопротивлялась мерам,
направленным на контроль за выбросами,
весьма огорчая тех, кто понимает всю
серьезность проблемы, особенно в Кана-
де, где выпадает значительная часть
кислотных осадков, связанных с промыш-
ленностью США. В начале 1986 г. власти
США и Канады заключили соглашение
о финансировании совместной програм-
мы (стоимостью 5 млрд, долларов) поис-
ка наиболее экономичных путей «чисто-
го» сжигания угля. Эти деньги давно
400
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
можно было бы использовать на установ-
ку скрубберов.
Что Вы можете сделать
Обвинения производителей энергии в
непринятии мер против кислотных осад-
ков вполне справедливы, но их можно
выдвинуть и против общественности, так
как большинство людей остаются стран-
но безучастными к этому вопросу. Соби-
раетесь ли Вы примкнуть к тем, кто
равнодушно ожидает гибели биосферы,
или будете действовать? А это значит:
-писать или звонить Вашим конг-
рессмену и сенаторам, объясняя необхо-
димость немедленного принятия попра-
вок к Акту о чистом воздухе, обеспечи-
вающих более строгий контроль за выб-
росами с электростанций диоксида серы.
Уже немыслимо решать проблему загряз-
нения за счет рассеивания этого вещества
в воздухе, так как экологический ущерб,
вызываемый кислотными осадками, четко
доказан;
-вступить в организацию типа Фонда
защиты окружающей среды или Совета
по охране природных ресурсов и поддер-
жать их усилия по введению эффективных
мер борьбы с выбросами;
-информировать других о сущест-
вующей проблеме и о том, что они могут
сделать для ее решения.
Парниковый эффект
Люди тысячелетиями стремились воз-
действовать на погоду. А сейчас мы вне-
запно оказались на пороге крупнейшего
изменения климата, вызванного челове-
ком. К сожалению, оно незапланирован-
ное, неуправляемое и может оказаться
катастрофическим. Его причина - увели-
чение содержания в атмосфере углекисло-
го и некоторых других газов, что приведет
к потеплению климата, а значит, к повы-
шению уровня моря и резкому изменению
погодных условий во всем мире. Давайте
рассмотрим эту проблему более подроб-
но.
Улавливание тепла
углекислым газом
Вам знакомо, как нагревается изнутри
автомобиль, когда он стоит на солнце
с закрытыми окнами. Причина в том, что
солнечный свет (световая энергия) прони-
кает через окна и поглощается сиденьями
и другими предметами в салоне. При
этом световая энергия переходит в тепло-
вую, предметы нагреваются и выделяют
тепло в виде инфракрасного, или теплово-
го, излучения. В отличие от света оно не
проникает сквозь стекла наружу, т. е.
улавливается внутри автомобиля. За счет
этого повышается температура (рис.
13-19). То же самое происходит в парни-
ках, откуда и произошел термин парнико-
вый эффект.
В глобальном масштабе содержащий-
ся в воздухе углекислый газ играет ту же
роль, что и стекло. Световая энергия про-
никает сквозь атмосферу, поглощается
поверхностью земли, преобразуется в ее
тепловую энергию и выделяется в виде
инфракрасного излучения. Однако угле-
кислый газ в отличие от других природ-
ных компонентов атмосферы его погло-
щает. При этом он нагревается и в свою
очередь нагревает атмосферу в целом.
Значит, чем больше в ней углекислого
газа, тем больше инфракрасных лучей
будет поглощено, тем теплее она станет.
Температура и климат, к которому мы
привыкли, обеспечиваются концентрацией
углекислого газа в атмосфере на уровне
0,03%. Теперь мы увеличиваем эту кон-
центрацию, и намечается тенденция к по-
теплению климата (если таковое уже не
произошло).
Источники углекислого газа
В природной биосфере содержание уг-
лекислого газа в воздухе поддерживалось
на одном уровне, так как его поступление
равнялось удалению. Об этом говорилось
в гл. 2 в связи с круговоротом углерода,
в ходе которого количество углекислого
газа, извлекаемого из атмосферы фото-
синтезирующими растениями, компенси-
руется за счет дыхания и горения.
13. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ, ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, ОЗОНОВЫЙ ЭКРАН
401
О Углекислый и другие
парниковые газы
о
Поглощение
углекислым и
другими парнико-
выми газами
Падающая
световая
энергия \
i \ А / / J / ♦ Нагревание
\о \Л V \ / атмосферы
о \ X ° А /\ /Исходящее инфракрасное
о \ /\ / \/ у излучение
ЗЕМЛЯ
Б
Рис. 13-19. Парниковый эффект. Автомобиль
или парник нагреваются на солнце, так как
световая энергия, проникающая внутрь через
стекло, поглощается и превращается в тепло-
вую, т. е. в инфракрасное излучение, не прохо-
дящее через стекло. Когда тепло таким
образом улавливается, температура подни-
мается. Аналогично нагревается атмосфера
Земли: свет сквозь нее проникает, а инфра-
красное излучение поглощается углекислым
и некоторыми другими газами. Чем выше
концентрация этих газов, тем чувствительнее
такой парниковый эффект
В настоящее время люди нарушают
это равновесие, сводя леса и используя
ископаемое топливо. Сжигание каждого
его фунта (угля, нефтепродуктов и при-
родного газа) приводит к образованию
примерно трех фунтов, или 2 м3, углекис-
лого газа (вес утраивается, поскольку
каждый атом углерода топлива в процессе
горения и превращения в углекислый газ
присоединяет два атома кислорода). Каж-
дый год сжигается около 2 млрд, т иско-
паемого топлива, значит, в атмосферу
попадает почти 5,5 млрд, т углекислого
газа. Еще приблизительно 1,7 млрд, т его
поступает туда же за счет сведения и вы-
жигания тропических лесов и окисления
органического вещества почвы (гумуса).
В результате концентрация углекисло-
го газа в атмосфере, составлявшая в на-
чале XX в. около 0,029%, к настоящему
времени достигла 0,035%; т. е. выросла на
20%. Чем дальше, тем быстрее это увели-
чение, так как растущее население плане-
402
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
(0,66)0,94 0,70 0,90 0,50 (0,691(0,58)0,67 0,71 0,94 1,90 1,33 0,87 1,22 2,22 0,57 0,60 1,06 1,57 1,57 1,35 1,81
Годовые изменения,млн~1
Рис. 13-20. Концентрация углекислого газа
в атмосфере неодинакова зимой и летом из-за
сезонных колебаний интенсивности фотосин-
теза. Но средняя концентрация постепенно
растет в результате деятельности человека,
а именно сжигания ископаемого топлива
и окисления органического вещества почв. Эта
тенденция может привести к глобальному
повышению температуры, которое повлечет за
собой другие широкомасштабные изменения
(М. С. MacCracken, Н. Moss “The First Detection
of Carbon Dioxid Effects”, Bulletin of the
American Meteorological Society, 63:1165, Okto-
ber 1982)
ты сжигает все больше топлива и выру-
бает все больше лесов.
Другие парниковые газы
Значительно усугубляют проблему не-
которые другие газы, выбрасываемые че-
ловеком в атмосферу, особенно метан,
хлорфторуглероды (ХФУ) и оксиды азо-
та, поглощающие инфракрасное излуче-
ние а 50-100 раз сильнее, чем углекислый
газ. Следовательно, хотя их содержание
в воздухе значительно ниже, они влияют
на температурный режим планеты почти
так же, как и он. В результате термином
парниковые газы обозначают углекислый
и другие газы, поглощающие инфра-
красное излучение и приводящие к потеп-
лению климата.
Степень потепления и его
возможные последствия
Если допустить сохранение сущест-
вующих тенденций, к 2050 г. концентра-
ция углекислого газа в атмосфере удвоит-
ся. В свою очередь компьютерные модели
различных климатических параметров по-
казывают, что это повлечет за собой пов-
семестное потепление на 1,5-4,5 °C. Ве-
роятно, оно будет более выражено в по-
лярных районах (до 10 °C) и менее-в
экваториальных (1-2 °C). Значительные
разногласия возникают по вопросу о том,
как такое потепление будет влиять на
облачность и как это отразится на распре-
Рис. 13-21. Регионы, которые, вероятно, станут влажнее или суше под влиянием парникового эффекта. Прогноз может быть не вполне
точным, но для территорий, обведенных пунктиром, его надежность очень высока (William W. Kellog, Robert Schware, 1981. Climate
Change and Society: Consequences of Increasing Atmospheric Carbon Dioxide. Boulder, Colorado: Westview Press)
I
404
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
делении солнечной радиации. Однако са-
му возможность потепления никто не от-
рицает.
На первый взгляд оно кажется уме-
ренным. Однако рост окружающей тем-
пературы на 4,5-5,5 °C выше ее пиков,
достигающих 38 °C, может оказаться ка-
тастрофическим. Более того, такое потеп-
ление вызовет таяние горных ледников
и полярных льдов, достаточное для под-
нятия уровня мирового океана на 1,5 м.
Это приведет к затоплению и гораздо
большей подверженности обширных при-
брежных зон влиянию штормов, т. е.
заставит людей покинуть обжитые места
и мигрировать в глубь суши. Готовы ли
расположенные там города и поселки
принять миллионы беженцев? Готовы ли
мы перестроить или переоборудовать все
порты, приспособив их к повышенному
уровню моря?
Влияние глобального потепления на
осадки и сельское хозяйство, вероятно,
окажется еще более сильным. Различная
температура на полюсах и экваторе-ос-
новная движущая сила циркуляции ат-
мосферы. Более сильное потепление на
полюсах приведет к ее ослаблению. Это
изменит картину циркуляции атмосферы,
а значит, и распределение осадков. В
некоторых районах их количесто, вероят-
но, увеличится, в других уменьшится
(рис. 13-21).
Для Северной Африки, которая в
настоящее время представляет собой
пустыню, увеличение осадков, по-видимо-
му, будет полезно. Онако США и Канада
при этом останутся в проигрыше. Цент-
ральная часть Северной Америки-важ-
нейший сельскохозяйственный регион ми-
ра, производящий огромные количества
избыточной кукурузы и пшеницы. Осадки
здесь, уже сейчас минимальные для этих
культур, вероятно, сильно сократятся. По
словам бывшего директора Националь-
ного центра атмосферных исследований
доктора Уолтера Робертса, «Пыльный
котел в США в середине 1930-х гг. был
величайшим климатическим бедствием
в истории нашего государства ... [Одна-
ко] он может показаться детской забавой
по сравнению с Пыльным котлом
2040-х гг. В результате потепления ...
естественные осадки могут сократиться на
40%, летом станет жарче, испарение с по-
верхности земли увеличится, почвы пе-
ресохнут, а ветра поднимут их к небе-
сам» L.
Орошением вряд ли удастся исправить
ситуацию. Вспомним, что уровень грун-
товых вод уже понижается на большей
части этого региона из-за их расходова-
ния на нужды сельского хозяйства. К
2040 г., а похоже, и значительно раньше
их запасы будут истощены. Возможно,
сельское хозяйство сумеет приспособить-
ся к иному климату, например, за счет
простого смещения посевных площадей
на север. Однако основная трудность-в
незнании, чего следует ожидать. Фермеры
уже теряют в среднем один урожай из
пяти из-за неблагоприятной погоды. При
климатических сдвигах ее капризы станут
еще более ощутимы, и потери в связи
с этим урожая возрастут катастрофичес-
ки. Вспомним, что потеря 40% урожая
кукурузы в 1988 г. в США-результат
засухи.
Существует ли парниковый
эффект?
Прогноз на потепление в результате
повышения содержания углекислого и
других поглощающих инфракрасное из-
лучение парниковых газов в атмосфере
неопровержим с теоретической точки зре-
ния, причем никто не может отрицать, что
это содержание, действительно, растет на
глазах. Однако до недавних пор на него
обращали мало внимания, возможно,
считая подобные проблемы делом слиш-
ком отдаленного будущего. Кроме того,
год от года погода так сильно варьирует,
что новые климатические тенденции не
сразу заметны. Однако будущее имеет
неприятную особенность незаметно ста-
новиться настоящим.
Регулярные наблюдения за климатом
ведутся уже около ста лет. Шесть самых
1 Roberts, Walter Orr, “It is Time to Prepare
for Global Climate Changes”, Conservation Fou-
dation Letter, April 1983.
13. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ, ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, ОЗОНОВЫЙ ЭКРАН
405
жарких лет за это время пришлись на
последнее десятилетие: 1980, 1981, 1983,
1986, 1987 и 1988 гг. Эти и другие данные
позволили известному климатологу
Джеймсу Хансену из Института космичес-
ких исследований им. Годдарда при
НАСА (Национальное управление по
аэронавтике и исследованию космическо-
го пространства) заявить в 1988 г.
Конгрессу, что парниковый эффект уже
ощутим. Многие климатологи не соглас-
ны с ним и считают недавние жаркие годы
нормальным отклонением от среднего.
Однако данные, подтверждающие мнение
Хансена, продолжают накапливаться. В
1989 г. А. Стронг из Национального уп-
равления по исследованиям атмосферы
и океана доложил: «Измерения темпера-
туры океанической поверхности, произве-
денные со спутников в период 1982—
1988 гг., ... показывают, что мировой
океан постепенно, но заметно нагревается
примерно на 0,1 °C в год». Это чрезвычай-
но важно, так как из-за своей колоссаль-
ной теплоемкости океаны почти не реаги-
руют на случайные климатические флук-
туации. Обнаруженная тенденция к их по-
теплению доказывает серьезность пробле-
мы.
Таким образом, тепловые скачки и за-
сухи, аналогичные случившейся в 1988 г.
или еще более сильные, могут стать все
более обычным явлением и привести к
тому, о чем писал доктор Робертс в при-
веденной выше цитате.
Стратегии борьбы
с парниковым эффектом.
Что Вы можете сделать
Мировая промышленность и транс-
портные средства настолько зависят от
ископаемого топлива, что в обозримом
будущем обильное поступление углекис-
лого газа в атмосферу неизбежно. Однако
существуют способы его уменьшить и со
временем достичь равновесного состоя-
ния последней. Наиболее перспективны
среди них:
Длина
волны
10000км
1000 км
100 км
10 км
1 км
100 м
10 м
1 м
100 мм
10 мм
1 мм
100 мкм
Юмкм
1 мкм
0,1 мкм
0,01 мкм
0,001 мкм
0,0001 мкм
Длинные
радиоволны
Ам-радиовещание
Рис. 13-22. Ультрафиолетовое, видимое,
инфракрасное и другие излучения соответст-
вуют различным длинам волн электромагнит-
ного спектра (с разрешения Joe R. Eagleman,
Meteorology: The Atmosphere in Action. D. Van
Nostrand copyright 1984 by Litton Educational
Publishing, Inc. Перепечатка с разрешения
Wadsworth Publishing Co.)
Короткие
волны
_______________|ЧМ-радиовещание
_______________и телевидение
[Метеорадиолокатор
Микроволны
Инфракрасное
излучение
~ ~ ~~ ~ ZTZZаимый свет
Ультрафиолетовое
излучение \
Рентгеновские \
лучи
Гамма-лучи
Слышимый звук
(не электромаг-
1см
нитные волны)
406
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Ультрафиолетовое
излучение
Свободные атомы Л _ Газообразный
кмгпппппя 0—0 ИИСЛЛПОА
о2
Кислород
Равновесие
- о3
►03
Озон
Б
Рис. 13-23. Озоновый экран. А. Озон (О3)
в стратосфере поглощает ультрафиолетовые
(УФ) лучи Солнца, Без такой защиты они
уничтожили бы практически всю жизнь на
планете. Б. Озон формируется в стратосфере,
когда под воздействием УФ-лучей молекулы
кислорода распадаются на свободные атомы,
которые могут присоединяться к другим его
молекулам. Однако свободные атомы кис-
лорода могут присоединяться к молекулам
озона с образованием двух молекул кислорода.
Таким образом, между кислородом и озоном
устанавливается и поддерживается равновесие.
Однако загрязнители типа ХФУ катализируют
распад озона и сдвигают равновесие в пользу
кислорода
-увеличение к.п.д. использования го-
рючего на транспорте и другие типы эко-
номии энергии, так как производство ее
почти полностью основано на сжигании
ископаемого топлива;
-разработка и внедрение солнечных
и других бестопливных источников энер-
гии;
-прекращение сведения лесов, особен-
но тропических;
-организация и поддержка кампаний
по посадке деревьев. Каждый из нас мо-
жет посадить еще несколько деревьев в
собственном саду.
Все эти действия способствуют реше-
нию и других природоохранных задач.
Энергосбережение и развитие альтерна-
тивных способов производства энергии
13. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ, ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, ОЗОНОВЫЙ ЭКРАН
407
ведут к снижению загрязнения. Посадка
деревьев и уход за ними-метод охраны
почв и водных ресурсов, а также под-
держания видового разнообразия живого.
Все это необходимо, если мы стремимся
к усточивости биосферы.
Нарушение озонового экрана
Природа и значение
озонового экрана
Наряду с видимым светом Солнце из-
лучает также ультрафиолетовые волны.
Ультрафиолетовое излучение похоже на
световое, но длина его волн несколько
короче, чем у фиолетовых лучей, самых
коротковолновых из воспринимаемых
глазом человека (рис. 13-22). Хотя
ультрафиолетовые лучи невидимы, они
обладают большей энергией, чем види-
мые. Проникая сквозь атмосферу и погло-
щаясь тканями живых организмов, они
разрушают молекулы белков и ДНК.
Именно это происходит, когда Вы заго-
раете. Если бы все ультрафиолетовое из-
лучение, падающее на верхние слои ат-
мосферы, достигало поверхности Земли,
то вряд ли на ней сохранилась бы жизнь;
все растения и животные просто «зажари-
лись» бы. Даже небольшая, доступная
нам часть этого количества (меньше 1%)
вызывает загар и ежегодно 200 000-
600 000 случаев рака кожи в США.
Мы защищены от агрессивного воз-
действия ультрафиолетового излучения,
так как большая его часть (свыше 99%)
поглощается слоем озона в стратосфере
на высоте около 25 км от поверхности
земли (рис. 13-23). Этот слой обычно на-
зывают озоновым экраном. Необходи-
мость его сохранения не требует доказа-
тельств. Однако некоторые антропоген-
ные загрязняющие вещества его разру-
шают.
Речь идет о том же самом озоне (О3),
который описывался в гл. 12 как серьез-
ный загрязнитель. Вспомним, что одно из
определений последнего - «химическое
вещество не на месте». Нижние слои
атмосферы и стратосфера не перемеши-
ваются. Следовательно, озон как загряз-
нитель в нижних слоях атмосферы и как
существенный компонент стратосферы - с
практической точки зрения совершенно
разные вещи.
Формирование и разрушение
озонового экрана
Интересно, что озон в стратосфере-
это продукт воздействия самого ультра-
фиолета (УФ) на молекулы кислорода
(О2). В результате некоторые из них рас-
падаются на свободные атомы, а те в свою
очередь могут присоединяться к другим
молекулам кислорода с образованием
озона (О3), как показано на рис. 13-23, Б.
Однако весь кислород не превращается
в озон, так как свободные атомы О, реаги-
руя с молекулами озона, дают две моле-
кулы О2 (рис. 13-23, В). Таким образом,
количество озона в стратосфере не стати-
чно; оно представляет собой результат
равновесия между этими двумя реакция-
ми. Однако в 1970-е гг. ученые предполо-
жили, что свободные атомы хлора ката-
лизируют процесс разложения озона. А
люди невольно поставляют такие атомы
в стратосферу десятилетиями.
Катализатор - это химическое вещест-
во, стимулирующее химическую реакцию,
не изменяясь в ходе нее. Способ ката-
литического участия атомов хлора в раз-
рушении озона показан на рис. 13-24.
Относительно небольшое их количество
может наносить значительный ущерб
озоновому экрану, причем это влияние
будет продолжаться неопределенно дол-
го, так как атомы хлора покидают стра-
тосферу очень медленно.
Источники атомов хлора,
поступающих в атмосферу
Большая часть хлора, используемого
на земле, например, для очистки воды,
представлена его растворимыми в воде
соединениями или ионами. Следователь-
но, они вымываются из атмосферы осад-
ками задолго до того, как попасть в стра-
тосферу. Хлорфторуглероды (ХФУ), т. е.
обыкновенные углеводородные (углерод-
408
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Рис. 13-25. ХФУ («фреоны») используют для
переноса тепла в холодильниках, кондиционе-
рах воздуха и тепловых насосах. Когда эти
машины ломаются или в конечном итоге
выбрасываются на свалку, «фреоны» попадают
в атмосферу
Рис. 13-24. Разрушение озонового экрана. Сво-
бодные атомы хлора и некоторые другие
загрязнители, попадая в стратосферу, катали-
зируют разложение озона, как показано на
рисунке. Весь озон не исчезает, так как он
постоянно образуется, но равновесие между
ним и кислородом сдвигается в сторону
уменьшения концентрации озона
водородные) молекулы, в которых неко-
торые атомы водорода замещены хлором
и фтором, - исключение. Они очень летучи
(газообразны) и нерастворимы в воде.
Следовательно, они не вымываются из
атмосферы и, продолжая распространять-
ся в ней, достигают стратосферы. Там они
могут разлагаться, высвобождая атомар-
ный хлор, который разрушает озон. Та-
ким образом, ХФУ наносят ущерб, высту-
пая в роли переносчиков атомов хлора
в стратосферу.
Хлорфторуглероды относительно
инертны химически (не реакционноспо-
собны), негорючи и неядовиты. Более то-
го, будучи газами при комнатной темпе-
ратуре, они ожижаются при небольшом
давлении с выделением тепла, а испа-
ряясь, вновь его поглощают и охлажда-
ются. Эти свойства позволили применять
их в следующих целях.
-Хлорфторуглероды используются
практически во всех холодильниках, кон-
диционерах воздуха и тепловых насосах
как хладоагенты (рис. 13-25). Поскольку
эти приспособления ломаются или в ко-
нечном счете выбрасываются, содержа-
щиеся в них ХФУ обычно попадают в ат-
мосферу.
-Вторая важнейшая область их при-
менения - производство пористых пласт-
масс. ХФУ подмешивают в жидкие
пластмассы при повышенном давлении
(они растворимы в органических вещест-
вах). Когда давление понижают, они
вспенивают пластмассу, как углекислый
газ содовую воду. И при этом улетучи-
ваются в атмосферу.
-Третья основная область их приме-
нения - электронная промышленность, а
именно очистка компьютерных микро-
схем, которая должна быть весьма тща-
тельной. И опять же ХФУ попадают в
атмосферу. Наконец, в большинстве
13. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ, ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, ОЗОНОВЫЙ ЭКРАН
409
Рис. 13-26. Спутниковая карта, демонстри-
рующая «дыру» в озоновом экране над
Антарктидой в октябре 1985 г. Дыра была еще
больше в 1987 г. Доказано, что она возникла
в результате поступления в атмосферу ХФУ
(Science Photo Library/Photo Researchers)
стран, кроме США, их до сих пор исполь-
зуют как носители в аэрозольных баллон-
чиках, которые, естественно, распыляют
их в воздухе.
Озоновая «дыра»
Вскоре после появления в начале
1970-х гг. гипотезы о связи ХФУ с озоном,
в США и некоторых других странах
запретили их использование в аэрозоль-
ных баллончиках, но большинство стран
этому примеру не последовало. Не отка-
зались и от использования ХФУ в других
целях. Следовательно, выпуск и исполь-
зование ХФУ во всем мире продолжали
расти, а так как последующие анализы
показали относительно небольшое
уменьшение содержания озона в страто-
сфере (1-2%), вплоть до 1985 г. на это
обращалось мало внимания.
Однако осенью 1985 г. спутниковые
наблюдения обнаружили «дыру» в озоно-
вом экране над Южным полюсом (рис.
13-26). Над территорией, равной по пло-
щади США, содержание озона сократи-
лось на 50%. Ранее предполагалось, что
потери озона (сдвиг равновесия) будут
происходить медленно, постепенно и рав-
номерно над всей Землей. Дыра появи-
лась неожиданно, и возникни она не над
полюсом, а в другом месте, воздействие
УФ привело бы к катастрофе.
Если бы к этой проблеме отнеслись
серьезнее с самого начала, т. е. в 1970-е гг.,
все было бы проще. Она стала бы предуп-
реждением о том, что пассивно ждать
развития событий всегда очень опасно.
Серьезные нарушения биосферы могут
происходить катастрофически, внезапно.
В 1987 г. озоновая дыра была больше, чем
когда-либо. Ученые оказались бессильны
предугадать то, что они узнали впоследст-
вии: частицы облаков, формирующиеся
при очень низких температурах, стимули-
руют высвобождение атомов хлора из
ХФУ. Таким образом, во время холодной
антарктической зимы накапливается
большое их количество, а затем весеннее
солнце приводит к разрушению озона ак-
тивным хлором.
В феврале 1989 г. ученые исследовали
стратосферу над Арктикой и обнаружили
присутствие тех же самых химических
факторов. Они пришли к выводу, что
410
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
и тут содержание озона может резко сок-
ратиться. Это будет зависеть только от
конкретных погодных условий очередного
года. Если над Арктикой образуется озо-
новая дыра, последствия будут серьезнее,
так как там больше организмов, которые
могут пострадать. Даже периодическое
раскрытие такой дыры над Антарктидой
чревато значительными потерями морс-
кого фитопланктона. Это сильно повлия-
ет практически на всех антарктических
животных от пингвинов до китов, так как
фитопланктон - основа почти всех пище-
вых цепей данного региона. В настоящее
время ученые занимаются этой пробле-
мой.
Если нынешние выбросы ХФУ в ат-
мосферу сохранятся, можно ожидать
лишь расширения и «углубления» озоно-
вых дыр над полюсами. Естественно, это
повлечет за собой разрежение озонового
слоя над всей планетой, что совершенно
для нас неприемлемо.
Борьба с истощением
запасов озона
В 1986 г. ООН в рамках своей Прог-
раммы по окружающей среде провела
встречу в Монреале (Канада). Странам-
участницам удалось достичь так называе-
мого Монреальского соглашения о сокра-
щении производства ХФУ на 50% к
1989 г., и химические компании принялись
за поиски их заменителей. Однако это
было еще до того, как влияние ХФУ на
озоновый экран стало очевидным и выяс-
нилась угроза арктическому озону. По
условиям Монреальского соглашения об-
щее содержание ХФУ в воздухе будет
продолжать расти, а разрушение озона
ускорится в четыре раза. Конечно, это
недопустимо. На второй встрече в Хель-
синки в 1989 г. намечено полностью отка-
заться от ХФУ к 2000 г., но некоторые
считают даже такие сроки слишком дол-
гими.
Проблема в том, что в уже сущест-
вующих холодильниках и кондиционерах
накоплено слишком много ХФУ: по мере
их обычного выхода из строя количество
ХФУ в атмосфере будет увеличиваться
еще многие годы даже в случае полного
и немедленного запрещения производст-
ва. Поэтому многие призывают к этому
уже сейчас.
Что Вы можете сделать
-Проследите, чтобы при ремонте Ва-
шего холодильника или кондиционера
улавливались и рециклизовались ХФУ;
- организуйте кампанию по надзору за
тем, чтобы все фирмы, обслуживающие
холодильники и кондиционеры в Вашей
местности, делали то же самое;
- способствуйте законодательному
закреплению этих мер в Вашей местности;
- бойкотируйте использование по-
ристых пластмасс до тех пор, пока не
будут заменены вспенивающие агенты.
Пример
Парниковый эффект
Как мы представляем себе воздействие
на общество грядущих климатических из-
менений, вызванных парниковыми газа-
ми? На рисунке изображена компьютер-
ная модель, оценивающая изменение
средней температуры во всем мире в бли-
жайшие годы при трех различных прогно-
зах роста содержания этих газов. Все три
кривые указывают, что к 2000 г. темпера-
тура на планете будет выше, чем когда-
либо в истории человечества. Можно ли
предсказать, как это повлияет на нашу
жизнь?
Индустриальное общество развива-
лось последние 200 лет без учета возмож-
ных климатических изменений. Фермеры
выращивали те или иные культуры, зная
по опыту, что они будут расти в данных
регионах. Хотя год от года погода, а
вместе с ней и урожайность менялись,
всегда оставалась надежда на лучшие вре-
мена.
С изменением климата на это рассчи-
тывать не приходится. Более жаркое и,
возможно, более сухое лето постепенно
станет нормой, и продуктивность культур
может значительно пострадать. Придется
решать: выращивать другие культуры или
13. КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ, ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, ОЗОНОВЫЙ ЭКРАН
411
Компьютерная модель оценивает возможные
изменения средней температуры на земном
шаре в ближайшие годы при трех различных
вариантах накопления газов. Вариант «А»
предусматривает продолжение роста выбросов
в атмосферу парниковых газов, характерного
для последних 20 лет (около 1,5% в год).
Вариант «Б» предполагает сохранение выбро-
сов на нынешнем уровне, а «С»-их резкое
сокращение. К 2000 г. все кривые обещают
более высокую среднюю температуру планеты,
чем на протяжении всей документированной
истории человечества. Темная полоса - оценка
глобальной температуры в межледниковые
эпохи 6000 и 120 000 лет назад. За нулевую
точку взята средняя температура с 1951 по
1980 г. (Hansen et al., 1988, Journal of Geophy-
sical Researchers, 93, 9341-9364)
другие сорта прежних культур (например,
более засухоустойчивые, если они есть)
или же использовать землю по-другому.
Если она больше не пригодна для земле-
делия, то где выращивать урожай? Может
быть, севернее, например в Канаде, а не
на юге Великих равнин? Тогда возникают
новые проблемы. С одной стороны,
экспорт продовольствия - одна из основ-
ных статей доходов США, и, если отдать
ее другой стране, возникнут финансовые
трудности. Кроме того, почвы Канады не
столь плодородны, так как в свое время
они были «ободраны» ледником. Нет ни-
какой уверенности в том, что на них
удасться получить то же количество про-
довольствия прежнего качества. Сниже-
ние мирового производства продуктов
питания в сочетании с ростом населения
чревато большими неприятностями.
Если сельское хозяйство потребует
увеличить орошение, чтобы преодолеть
влияние жары, потребуется больше
доступной воды. Потепление повлечет за
собой и более частое использование кон-
диционеров, т. е. повышение расхода
электроэнергии. В тех районах, где она
вырабатывается в основном ГЭС, также
потребуется больше воды. Если при более
теплом климате усилится ее испарение
с поверхности земли, доступной воды бу-
дет меньше. Это-один из тех ресурсов,
которые нечем заменить. В случае потеп-
ления климата можно ожидать недостат-
ка воды и учащения экологических проб-
лем, связанных с истощением ее запасов.
Это только два основных пути влия-
412
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
ния климатических изменений на общест-
во. Но можно ожидать отрицательных
последствий почти для всех областей на-
шей деятельности. Что ввиду этого пред-
принять? Поскольку изменения климата
происходят из-за выбросов в атмосферу
углекислого газа, образующегося при
сжигании ископаемого топлива ради по-
лучения энергии, нельзя избавиться от
парникового эффекта, не отказавшись от
нашей энергозависимости. Следователь-
но, нужно подготовиться к некоторому
потеплению климата, создав более гиб-
кую систему хозяйствования. Если ожи-
дается нехватка воды в будущем, пора
готовить земли и планировать сооруже-
ние дополнительных водохранилищ и ре-
зервуаров для запасания воды. Если
предполагается спад урожайности пшени-
цы на юге Великих равнин, значит, уже
теперь надо финансировать создание ее
засухо- и жароустойчивых сортов. Если
более теплый климат благоприятствует
росту некоторых видов деревьев, следует
высаживать именно их. Чтобы все это
принесло плоды, потребуются десятиле-
тия. Но если вовремя принимать решения,
удастся свести к минимуму отрицатель-
ные последствия потепления климата.
Дейвид Ринд
НАСА, Институт космических иссле-
дований Годдарда
14
Риск и экономика загрязнения
Раздел Учебные вопросы
I. ЗАТРАТНО-ПРИБЫЛЬНЫЙ АНАЛИЗ . 414 1. Что такое затратно-прибыльный анализ?
Как его применяют? Назовите специфичес-
кие расходы на борьбу с загрязнением и
прибыль от нее. Как зависят затраты и
прибыль от интенсивности борьбы? Поче-
му не всегда необходимы 100% очистки?
II. ВОПРОСЫ, ВСТАЮЩИЕ ПРИ ЗАТРАТНО-
ПРИБЫЛЬНОМ АНАЛИЗЕ...............416
А. Оценка затрат.................416 2. Какие расходы можно объективно оценить
и какие следует планировать? Почему
борьба с загрязнением стоит дороже вна-
чале, чем потом?
Б. Оценка прибыли и анализ существующего
риска ...........................4173. Приведите примеры мероприятий, направ-
ленных на снижение или избежание риска.
Почему их трудно оценить? Какие факторы
учитываются при оценке риска?
В. Проблемы, возникающие при сравнении
затрат и прибыли................418
1. Краткосрочные и долгосрочные прогно-
зы ............................418 4. Объясните, почему различные группы лю-
дей не сходятся в своих оценках затрат
и прибыли.
2. Кто платит и кто получает прибыль 418 5. Обсудите, как и почему вышеупомянутые
оценки зависят от рассматриваемого пе-
риода времени и от того, кто их проводит.
III. НЕОБХОДИМОСТЬ ЗАКОНОДАТЕЛЬСТ-
ВА И ПРИНУЖДЕНИЯ.................418 6. Объясните, почему экономическое давление
заставляет предприятия противодейство-
вать борьбе с загрязнением. Какие шаги
предприняты, чтобы исправить эту ситуа-
цию?
IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................418 7. Обсудите, почему для Вас как для члена
общества важно отстаивать свои интересы.
Предыдущие главы продемонстриро-
вали многие проблемы загрязнения, с ко-
торыми мы сталкиваемся. Кроме того, из
них следует, что мы обладаем достаточ-
ными знаниями и технологиями для по
крайней мере частичного решения этих
проблем. То же самое можно сказать и об
экологических задачах, которые обсуж-
даются в последующих главах. Почему же
до сих пор не приняты все необходимые
меры?
Если в двух словах, то ответ на этот
вопрос кроется в экономике. Научной ин-
формации и разработки стратегий борьбы
еще недостаточно для решения проблемы.
Множество противоречивых экономичес-
414
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
ких интересов, сталкиваясь, часто тормо-
зят прогресс. В этой главе мы собираемся
рассмотреть эти противоречия и выяс-
нить, как можно определить экономичес-
кую обоснованность предлагаемых про-
ектов или мероприятий.
Затратно-прибыльный анализ
Затратно-прибыльный анализ часто
применяют для того, чтобы решить,
стоит ли осуществлять данный проект.
Проводя его, сравнивают предполагае-
мые затраты с ожидаемой прибылью. Это
сравнение обычно называют отношением
прибыли к затратам. Положительное от-
ношение означает, что прибыль превосхо-
дит затраты, т. е. проект экономически
эффективен, его осуществление экономи-
чески рентабельно. Если затраты превос-
ходят прибыль, логично поискать иное
решение.
В случае борьбы с загрязнением за-
траты включают в себя расходы на закуп-
ку, установку, работу и ремонт очистных
сооружений и/или на внедрение стратегий
контроля. Даже запрещение опасной и
вредной продукции стоит денег, так как
люди теряют работу, нужна новая техно-
логия, может потребоваться замена обо-
рудования. В некоторых случаях борьба
с загрязнителем приводит к открытию
более дешевого заменителя. Однако это
случается довольно редко. В большинстве
случаев борьба с загрязнением требует
дополнительных затрат. Более того,
обычно они возрастают экспоненциально
при линейном увеличении степени очистки
(рис. 14-1, А). Значит, небольшого сокра-
щения уровня загрязнения можно достиг-
нуть с помощью нескольких относительно
недорогих мероприятий. Дальнейшее сок-
ращение требует все более дорогостоящих
мер, а полное сокращение, по-видимому,
недостижимо при любых затратах.
С другой стороны, прибыль означает
улучшение здоровья людей, снижение ско-
рости коррозии и старения материалов
и/или восстановление рекреационной цен-
ности загрязненного района. Денежное
выражение рассчитывают, оценивая сок-
ращение затрат на здравоохранение, ре-
0 20 40 60 80
Сокращение загрязнения,0/*
В
Рис. 14-1. Отношение затрат к прибыли при
сокращении загрязнения. А. Затраты на борьбу
с загрязнением повышаются экспоненциональ-
но с увеличением степени его сокращения. Б.
По мере сокращения загрязнения до порогово-
го уровня и ниже прибыли в результате борьбы
с ним перестают увеличиваться. В. Сравнение
кривых затрат и прибыли показывают, что
максимальный эффект затраты приносят не
при 100% очистки. Расходы на максимальное
сокращение загрязнения могут вообще не
принести прибыли
14. РИСК И ЭКОНОМИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ
415
Таблица 14-1. Прибыль, которая может быть получена благодаря сокращению или прекращению
загрязнения
1. Улучшение здоровья человека.
а. Предотвращение и сокращение числа заболеваний, вызываемых загрязнением.
б. Сокращение случаев потери работоспособности в связи с загрязнением.
в. Повышение производительности труда.
2. Улучшение сельскохозяйственной и лесной продукции.
а. Сокращение ущерба от загрязнения.
б. Более активный рост в связи с устранением стресса, вызванного загрязнением.
в. Повышение доходов ферм, благоприятствующее развитию всех отраслей промышленности,
связанных с сельским хозяйством.
3. Активизация промышленного и/или любительского рыболовства.
а. Увеличение уловов рыбы и других водных животных.
б. Активизация торговли лодками, моторами, снастями и наживкой.
в. Увеличение числа предприятий, обслуживающих рыбаков.
4. Увеличение рекреакционных возможностей.
а. Прямое использование ландшафта, например, для плавания и катанья на лодках.
б. Косвенное использование, например, для наблюдений за дикой природой.
в. Процветание туристического бизнеса.
5. Чистота и удлинение срока службы материалов.
а. Сокращение разрушающего воздействия загрязнения и продление срока жизни металлов,
тканей, резины, красок и других покрытий.
б. Снижение затрат на очистку.
6. Повышение ценности земельных участков.
а. Загрязнение снижает ценность.
б. Уменьшение загрязнения повышает ее.
монт и/или замену оборудования, эконо-
мическую выгоду от возросших возмож-
ностей использования территории. До-
полнительные примеры прибылей пере-
числены в табл. 14-1.
Отношение между процентом сокра-
щения загрязнения и размером прибыли
очень сильно отличается от его отноше-
ния к затратам. Значительная прибыль
часто достижима при умеренной степени
очистки. Но когда она приближается к
100%, дополнительной прибыли может
вообще не быть (рис. 14-1, Б). Это объяс-
няется тем, что организм способен вы-
носить определенный уровень загрязне-
ния без ущерба для себя. Только когда
содержание загрязнителя превосходит
«определенный уровень», он приносит
вред, который затем может быстро уве-
личиваться. И напротив, падение содер-
жания загрязнителя ниже порогового
уровня не принесет заметного улучшения.
Если отношение между прибылью и
затратами изобразить графически (рис.
14-1, В), станет очевидным, что прибыль
превосходит затраты при умеренной сте-
пени очистки. А когда степень очистки
стремится к 100%, линии пересекаются
и затраты превосходят прибыль. Хотя
соблазнительно жить в стопроцентной
чистоте, удаление более 90% загрязнителя
может повлечь за собой астрономические
затраты без дополнительных выгод. С
этой точки зрения разумнее употребить
деньги и силы на другие проекты, которые
позволяют извлечь большие прибыли при
тех же затратах. Оптимальная экономи-
ческая эффективность достигается тогда,
когда кривая прибыли проходит выше
всего над кривой расходов.
Важно подчеркнуть, что это лишь об-
щая концепция затратно-прибыльного
анализа. Расходы и прибыль особые для
каждого конкретного случая. Каждый
загрязнитель или каждую их группу сле-
дует анализировать отдельно, и всегда
остается много неясностей. Возникают
вопросы типа: «Насколько чисто чистое?
Достаточно ли очистить на 50% или
лучше на 75 %? Необходимы ли 100%
очистки? »
Каковы результаты затратно-при-
быльного анализа на сегодняшний день?
Уже говорилось; что в конце 1960-х гг.
416
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
загрязнение воздуха и поверхностных вод
достигло критического уровня, и на борь-
бу с ним были истрачены огромные сум-
мы денег. Затратно-прибыльный анализ
показывает, что все эти капиталовложе-
ния с избытком окупились за счет сокра-
щения затрат на здравоохранение и улуч-
шение качества окружающей среды. Оз-
начает ли это такую же экономическую
выгоду дальнейших расходов на борьбу
с загрязнением? Или мы уже у той черты,
когда новые ассигнования не принесут
заметной пользы и деньги будут потраче-
ны зря? По меньшей мере промышленни-
ки, многие экономисты и правительствен-
ные чиновники сейчас требуют более весо-
мых аргументов в пользу предполагаемой
прибыли, прежде чем согласиться на даль-
нейшие расходы. Некоторые уверены, что
это действительно забота об экономичес-
кой эффективности дополнительных зат-
рат на охрану окружающей среды. Другие
видят в возросших требованиях изощрен-
ный способ защищать собственные инте-
ресы в ущерб экологии и обществу в це-
лом. Чтобы оценить эти точки зрения,
необходимо более подробно рассмотреть
различные аспекты затратно-прибыльно-
го анализа и возникающие в связи с ним
проблемы.
Вопросы, встающие
при затратно-прибыльном
анализе
В основе затратно-прибыльного ана-
лиза лежит, естественно, оценка затрат,
которые могут потребоваться, и прибыли,
возможной при различной степени очист-
ки. Затем-их сравнение. Главная труд-
ность-в получении реалистичных, объек-
тивных оценок.
Оценка затрат
В большинстве случаев технологии
и/или стратегии борьбы с загрязнением
известны и осуществимы. Таким образом,
затраты на оборудование и его эксплуата-
цию можно оценить достаточно объек-
тивно. Случаются, конечно, непредвиден-
ные расходы, но по мере совершенствова-
ния технологии и накопления опыта часто
появляются способы снизить затраты.
Обратим внимание, что борьба с загряз-
нением увеличивает занятость населения,
следовательно, способствует экономичес-
кому процветанию страны, а это можно
14. РИСК И ЭКОНОМИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ
417
считать и сокращением расходов, и полу-
чением прибыли одновременно. Обычно
меры по борьбе с загрязнением требуют
больше затрат вначале, а по прошествии
времени все меньше и меньше (рис. 14-2, А).
Значение этого обстоятельства становится
очевидным, если учитывать период вре-
мени, за который сравниваются расходы
и прибыль.
Оценка прибыли и анализ
существующего риска
Объем предполагаемой прибыли так-
же можно оценить достаточно объектив-
но. Например, хорошо известно, что при
повышенном загрязнении воздуха увели-
чивается число людей, обращающихся
к врачу. Так как оказываемые медицинс-
кие услуги имеют определенную денеж-
ную стоимость, снижение атмосферного
загрязнения сокращает расходы на здра-
воохранение именно на эту сумму. Анало-
гичным образом известна скорость корро-
зии и старения материалов в условиях
загрязнения и без него, мы знаем, сколько
денег расходуется на их ремонт и замену.
Еще один пример. Допустим, загрязнен-
ное озеро очистили настолько, что там
опять можно купаться. В результате пред-
полагают получить прибыль в размере
3-5 долларов с каждого купающегося в
день. При расчете учитывают, что боль-
шинство людей охотно заплатят эту сум-
му за пропуск к водоему.
Как говорилось в предыдущих главах,
борьба с такими загрязнителями, как ток-
Рис. 14-2. Оценка оптимальной экономической
эффективности мер по борьбе с загрязнением
зависит от учитываемого периода времени. А.
Борьба с загрязнением обычно требует высо-
ких начальных затрат, но расходы, как пра-
вило, уменьшаются по мере интеграции техно-
логии очистки в общую экономику. Б. При-
были могут быть очень незначительными за
короткий период времени, но они увеличи-
ваются по мере улучшения здоровья человека
и состояния окружающей среды или в резуль-
тате прекращения дальнейшего ущерба. В.
Сравнение этих двух кривых показывает, что
нерентабельное в ближайшие 5-10 лет вложе-
ние средств может оказаться очень выгодным,
если заглянуть дальше в будущее
сичные химикаты, озон, кислотные дожди
и углекислый газ, не предполагает немед-
ленной прибыли. Ее цель - избежание бу-
дущего риска деградации окружающей
среды. Например, если токсичные отходы
размещены ненадежно, возникает риск
широкомасштабного загрязнения грунто-
вых вод и повышения заболеваемости ра-
ком. Если не прекратятся кислотные дож-
ди, мы рискуем потерять леса и обитате-
лей водоемов. Если не контролировать
сжигание ископаемого топлива, нас ожи-
дает изменение климата из-за парниково-
го эффекта и т.д. В таких случаях мы
стремимся сократить определенный риск
и оцениваем соответствующие расходы.
Делать это не просто, и существует мно-
жество мнений относительно «цены» каж-
дого конкретного типа опасности.
Для решения подобной задачи создана
новая область исследований - анализ, или
оценка, риска. Она предусматривает рас-
смотрение следующих факторов:
- число людей, которые могут постра-
дать;
- географическая протяженность или
площадь предполагаемого воздействия;
- природа и/или интенсивность воз-
действия;
- вероятность воздействия (риск может
колебаться в пределах от «практически
неизбежного» до «маловероятного»);
- близость угрозы;
- косвенные последствия возникшей
угрозы;
-обратимость последствий.
Учитывая все эти факторы, можно по-
лучить более реалистичное представление
о ценностях, приобретаемых в результате
проведения мероприятий, снижающих
риск. Их стоимость-разность между раз-
мерами возможного ущерба, если меры не
будут приняты, и меньшего ущерба в слу-
чае их принятия.
При этом опять крайне важен рассмат-
риваемый период времени. Требуется чет-
ко осознавать, что выгоды от снижения
риска начнут проявляться лишь спустя
определенное время после начала борьбы
с ним. Со временем они увеличиваются
и с все возрастающей скоростью (рис.
14-2, Б).
418
Ч. IV. ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Поблемы, возникающие
при сравнении затрат
и прибыли
Даже после получения надежных оце-
нок затрат и прибыли их сравнение часто
затруднительно.
Краткосрочные и долгосрочные
прогнозы
Уже говорилось о том, что, хотя на
первых этапах борьбы расходы велики,
а прибыль незначительна или совсем от-
сутствует, с течением времени затраты
становятся умеренными, а прибыль уве-
личивается и накапливается. Следователь-
но, превзойдет она затраты или наоборот,
зависит от того, долгий или короткий
период рассматривается. Ситуация, кото-
рая кажется экономически невыгодной в
ближайшее время, может оказаться высо-
корентабельной в дальнейшем (рис. 14-2, В).
Это особенно справедливо в случае таких
проблем, как кислотные дожди и
загрязнение грунтовых вод токсичными
отходами. Если опоздать с принятием
мер, последствия затронут обширные
географические пространства и многие
миллионы людей; кроме того, они могут
оказаться необратимыми.
Кто платит и кто получает
прибыль
Часто платят за меры по борьбе с заг-
рязнением и получают прибыль от них
различные группы людей. Например, дер-
жатели акций предприятия платят за то,
чтобы стоки не попадали в реку, а при-
быль от этого достается рыбакам. Оче-
видно, у каждой стороны свое мнение
о том, окупаются ли затраты.
Проблема еще больше осложняется,
когда максимальный ущерб от загряз-
няющих веществ, производимых в стране
или штате, -проявляется за границей. Это
особенно касается кислотных осадков. И
тут стороны редко приходят к согласию
относительно расходов и прибыли.
Необходимость
законодательства
и принуждения
Многие люди верят, что промышлен-
ность готова добровольно бороться с заг-
рязнением. Однако экономическое давле-
ние со стороны конкурентов часто бывает
настолько сильным, что осуществлять это
благое намерение разорительно. Пред-
ставьте себе два конкурирующих пред-
приятия: А и Б. Предположим А решает
бороться с загрязнением. Оно должно ли-
бо окупить затраты за счет повышения
цен (тогда его покупатели обратятся к Б,
где сохраняются низкие цены), либо сни-
зить прибыль, рискуя потерять финансо-
вую репутацию и поддержку. Таким обра-
зом, компания А, поступая из лучших
побуждений, теряет конкурентоспособ-
ность независимо от того, как поступает
Б. Следовательно, необходимы законы,
финансово влияющие на компанию-нару-
шительницу. К сожалению, множество
предприятий, компаний и заинтересован-
ных групп населения пытаются обойти
законы ради достижения экономического
превосходства.
Заключение
Важно сознавать, что все без исключе-
ния члены общества получат пользу от
охраны окружающей среды и понесут
большие потери в случае ее деградации.
Следовательно, риск и прибыли нужно
оценивать с точки зрения широких и
долгосрочных перспектив. Нельзя позво-
лять группам с сиюминутными полити-
ческими и экономическими интересами
препятствовать решению вечных проб-
лем. Когда бы Вы ни столкнулись с воз-
ражением, что расходы слишком велики,
отвечайте: «Впоследствии за деградацию
окружающей среды придется заплатить
гораздо дороже».
Оглавление
От редакции........................
Предисловие {Перевод М. В. Зубкова) . .
Краткое содержание книги . . . .
Дидактический подход.............
Благодарности {Перевод М. В. Зубкова)
Введение. Использование научных знаний
для понимания и решения проблем охраны
окружающей среды {Перевод М. В. Зубко-
ва) ...............................
Введение ........................
Оценка информации................
Наука и ценностный подход ....
Наука об окружающей среде и области
ее приложения....................
Часть I. Что такое экосистемы
И как ОНИ функционируют {Перевод
Д.А. Петелина).....................
Глава 1. Экосистемы - что это такое? . .
Определение и примеры экосистем . .
Структура экосистем..............
Почему в разных регионах сформиро-
вались разные экосистемы? ....
Экология и человек ..............
Приложение 1. Леса умеренного пояса
Приложение 2. Степи..............
Приложение 3. Пустыни............
Приложение 4. Хвойные леса (тайга) .
Приложение 5. Тундра.............
Приложение 6. Саванны............
Приложение 7. Дождевые тропические
леса.............................
Глава 2. Экосистемы: как они функцио-
нируют? ...........................
Элементы, жизнь, организация и энер-
гия .............................
Принципы функционирования эко-
систем ..........................
Связь с жизнью человека..........
Пример. Биосфера-П...............
Глава 3. Экосистемы: почему они устой-
чивы? Почему изменяются?...........
Главное-равновесие...............
5 Связь с жизнью человека.............107
Пример. Вымирание зубчатого каш-
6 тана............................... 109
7
g Глава 4. Экосистемы: адаптация и изме-
нение или вымирание...................112
9 Как виды изменяются и адаптируются
и что им мешает это делать . . . . 113
Связь с жизнью человека.............132
Пример. Семена для замены ... 134
11 Часть II. Население {Перевод
12 М. В. Зубкова)......................... 136
15
22 Глава 5. Проблема народонаселения,
масштабы, аспекты, причины.............138
22 Масштабы и аспекты проблемы на-
родонаселения ............................ 140
Демографический взрыв: его причины
и возможное разрешение связанных
23 с ним проблем.......................... 150
Пример. Влияние населения на тропи-
ческие леса........................ 160
26
29 Глава 6. Решение проблемы народонасе-
ления ................................ 163
43 Улучшение жизни людей...........164
48 Снижение рождаемости............174
50 Действия, которые Вы можете пред-
51 принять........................ 181
52 Пример. Чему учит опыт Бангладеш . 182
53
54 Часть III. Почва, вода и сельское
55 ХОЗЯЙСТВО {Перевод Т.П. Тарасовой) . 184
Глава 7. Почва и почвенная экосистема 186
Растения и почва....................188
$6 Потери почвы.........................204
От слов к делу......................224
57 Пример. Гаити: земля, где не растет
надежда.............................226
72
80 Глава 8. Вода, круговорот воды и водное
g3 хозяйство..............................229
Вода................................230
Круговорот воды.....................233
Зависимость человека от круговоро-
87 та воды и его влияние на этот процесс 241
420
ОГЛАВЛЕНИЕ
От слов к делу.....................262
Пример. Деградация Эверглейдс . . 263
Часть IV. Загрязнение {Перевод
Т.П. Тарасовой)......................266
Глава 9. Наносы, биогены и эвтрофизация 269
Эвтрофизация.......................272
Источники наносов и биогенов . . . 279
Контроль за осадконакоплением и
уровнем биогенов. Что Вы можете
сделать............................288
Пример. Эвтрофизация озера Эри . . 293
Глава 10. Загрязнение воды канализа-
ционными стоками.....................296
Опасность неочищенных сточных вод 297
Сбор и очистка сточных вод .... 299
Подведение итогов; что Вы можете
сделать............................318
Пример. Система очистки сточных вод
на полях орошения................. 321
Глава 11. Ядохимикаты и загрязнение
грунтовых вод........................324
Источники загрязнения грунтовых вод 326
Ядохимикаты, их опасность .... 327
Загрязнение окружающей среды ядо-
химикатами ........................331
Обезвреживание ядовитых отходов и
контроль за ними....................338
Пример. Гибель китов-белух в Канаде 349
Глава 12. Атмосферное загрязнение и
борьба с ним..........................351
История проблемы загрязнения воз-
духа ...............................352
Основные загрязнители воздуха и их
воздействие.........................357
Источники загрязнения и стратегии
борьбы с ним........................365
Загрязнение воздуха в помещениях . . 376
Пример. Влияние загрязнения воздуха
на деревья..........................378
Глава 13. Кислотные осадки, парниковый
эффект и нарушение озонового экрана . . 380
Кислотные осадки....................382
Парниковый эффект...................400
Нарушение озонового экрана .... 407
Пример. Парниковый эффект. . . . 410
Глава 14. Риск и экономика загрязнения . 413
Затратно-прибыльный анализ . . . 414
Вопросы, встающие при затратно-
прибыльном анализе..................416
Необходимость законодательства и
принуждения.........................418
Заключение..........................418
Учебное издание
Бернард Небел
НАУКА ОБ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ: КАК УСТРОЕН МИР
В 2-х томах
Том 1
Заведующая редакцией канд. биол. наук М.Д. Гроздова
Ведущий редактор Ю.Л. Амченков
Редактор Р. Ф. Куликова
Художник Е. И. Волков
Художественный редактор А. Е. Волков
Технический редактор Т. А. Максимова
Корректор М. А. Смирнов
ИБ № 8139
Лицензия ЛР № 010174 от 22.01.92.
Сдано в набор 28.10.92. Подписано к печати 30.08.93. Формат 70 х 100 1/16.
Бумага офсетная № 1. Печать офсетная. Гарнитура тайме. Тираж 30000 экз.
Объем 13,25 бум. л. Усл.печ.л. 34,45. Усл. кр.-отт. 34,78. Учт.изд. л. 36,82.
Изд. № 4/8991. Зак. 2199. Цена С-012.
Издательство «Мир» Министерства печати и информации
Российской Федерации
129820, ГСП, Москва, И-110, 1-й Рижский пер., 2.
Можайский полиграфкомбинат Министерства печати и информации
Российской Федерации.
143200, г. Можайск, ул. Мира, 93.
Издательство «Мир» выпускает в 1993-1994 гг.
Б. Албертс, Д. Брей, Дж. Льюис и др. Молекулярная биология клетки. В 3-х
томах. 2-е изд., перераб. и дополи. Пер. с англ.-152 л., ил.
Современный учебник по молекулярной биологии, созданный коллективом извест-
ных американских ученых (в их числе-лауреат Нобелевской премии Джеймс Уотсон).
Энциклопедическая полнота охвата материала позволяет использовать его как
справочное пособие. На русском языке выходит в 3-х томах. Читатель уже знаком с 1-м
изданием (М.: Мир, 1986—87). Новое издание переработано авторами и дополнено
современным материалом. В первом томе рассматриваются эволюция клеток, их
химический состав, методы исследования, структура и функции плазматической
мембраны, митохондрий, хлоропластов. Во втором томе описана структура и функции
ядра и цитоскелета, механизмы клеточного деления, организация процессов внутри-
и межклеточного транспорта. Третий том посвящен проблемам клеточной дифферен-
цировки и организации специализированных тканей, рассмотрены общебиологические
и молекулярно-генетические аспекты злокачественного перерождения клеток.
Для биологов всех специальностей, преподавателей и студентов университетов,
медицинских, педагогических и сельскохозяйственных институтов.
Уилсон Дж., Хант Т. Молекулярная биология клетки: Сборник задач. Пер.
с англ. -41 л., ил.
Книга американских авторов - приложение ко 2-му изданию учебника «Моле-
кулярная биология клетки» Б. Албертса, Д. Брея, Дж. Льюиса и др. Содержит вопросы
и задачи, цель которых-углубить понимание текста учебника, научить планировать
эксперимент (в области биохимии, цитологии, физиологии клетки, молекулярной
биологии) и критически оценивать результаты. Материал книги может быть исполь-
зован для компьютеризации процесса обучения.
Для преподавателей и студентов биологии, биофизиков и медиков.
Издательство «Мир» выпускает в 1993 г.
В. Эйхлер. Яды в нашей пище. 2-е дополн. изд. Пер. с нем.-15 л., ил.
Книга немецкого автора, известная читателям по 1-му изданию, посвящена вопро-
сам загрязнения среды тяжелыми металлами, радиоактивными изотопами, хими-
ческими соединениями-ксенобиотиками, возможности попадания их в пищу и отравле-
ния ими. Приводятся многочисленные примеры таких эффектов. Книга способствует
ясному пониманию конкретных экологических проблем, с которыми приходится
сталкиваться на каждом шагу, и читается с большим интересом.
Для специалистов по охране окружающей среды, врачей, всех интересующихся
этими проблемами.
Книги издательства можно заказать в магазине «Дом технической книги», где
работает отдел «Книга-почтой». Адрес магазина:
117334 Москва, Ленинский просп., 40.
b
Среда обитания человека в
опасности!
От промышленного загрязнения
страдают растения, животные и
сами люди. Огромные площади
некогда плодородных земель
превращаются в пустыни из-за
эрозии, истощения водных ресурсов,
засоления, отравления
ядохимикатами. Рост содержания
углекислого газа в атмосфере грозит
глобальными климатическими
изменениями. Запасы полезных
ископаемых подходят к концу.
Взрывообразно растущее население
планеты требует все больше пищи,
воды, энергии. Что делать? В силах
ли человечество разрешить вставшие
перед ним проблемы? Хватит ли у
него для этого времени и средств?
На эти и другие вопросы отвечает
книга, которую Вы держите в руках,
— один из лучших в мире учебников
по охране окружающей среды,
написанный американским ученым и
широко используемый в колледжах
США. Здесь не только теоретические
основы биологии, почвоведения,
демографии, энергетики... Здесь то,
что должен знать каждый,
желающий активно включиться
в борьбу с надвигающейся
экологической катастрофой,
стремящийся к устойчивому
развитию нашей цивилизации.