Экология природно-техногенных систем

Е. В. Гривко, А. А. Шайхутдинова, М. Ю. Глуховская






            ЭКОЛОГИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ


Учебное пособие


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2024

УДК 502.1
ББК 20.1
     Г82

Рецензент: доктор сельскохозяйственных наук, доцент Оренбургского государственного университета Гамм Тамара Алексеевна








      Гривко, Е. В.

Г82 Экология природно-техногенных систем : учебное пособие / Е. В. Гривко, А. А. Шайхутдинова, М. Ю. Глуховская. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 256 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-2038-9

         Рассмотрены теоретические основы возникновения и признаки экологического дисбаланса. Описаны теоретические аспекты изучения проблемы рационального использования природно-техногенных систем и мероприятия по рациональному использованию природно-техногенных ландшафтов. Показаны экологические аспекты валео-логии, методика расчета индекса массы тела и основные принципы рационального питания. Освещены проблемы организации безотходного производства как способа безопасного функционирования природно-техногенных систем.
         Для лекционных и практических занятий студентов направления подготовки 05.03.06 «Экология и природопользование» по дисциплинам «Актуальные направления экологии» и для студентов направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность» по дисциплине «Актуальные направления инженерной защиты окружающей среды», а также для студентов направления подготовки 05.04.06 «Экология и природопользование» и 20.04.01 «Техносферная безопасность» по дисциплине «Методология научных исследований», «Современные критерии оценки опасности промышленных предприятий», «Экологическая безопасность».
УДК 502.1
                                                                     ББК 20.1





ISBN 978-5-9729-2038-9

    © Гривко Е. В., ШайхутдиноваА. А., Глуховская М. Ю., 2024
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2024
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024

        СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ...........................................................5
1. Особенности экологических последствий дисбаланса компонентов окружающей среды...................................................7
  1.1. Теоретические основы возникновения экологического дисбаланса.7
  1.2. Разрушение озонового слоя Земли............................10
  1.3. Признаки дисбаланса мировой климатической системы..........13
  1.4. Кислотные дожди, причина возникновения и факторы негативного влияния...................................16
  1.5. Истощение пресных водных объектов и загрязнение вод Мирового океана.................................................21
  1.6. Глобальные изменения биологического разнообразия...........26
  1.7. Деградация и загрязнение земельных ресурсов................30
  1.8. Контрольные вопросы по разделу.............................35
  1.9. Список рекомендуемой литературы по разделу.................36
2. Геоэкология. Оценкаприродного потенциалаурбанизированных и антропогенно-модифицированных территорий на основании пространственного мониторинга.....................................37
  2.1. Теоретические аспекты изучения проблемы рационального использования природно-техногенных систем.......................37
  2.2. Пространственная оценка экологической ситуации на территории.50
  2.3. Оценка местности по экологическим параметрам сбалансированной территориальной организации.....................................58
  2.4. Анализ экологической устойчивости и стабильности территорий..60
  2.5. Определение демографической емкости территории.............64
  2.6. Мероприятия по рациональному использованию природно-антропогенных ландшафтов...............................65
  2.7. Контрольные вопросы по разделу.............................79
  2.8. Список рекомендуемой литературы по разделу.................80
3. Урбоэкология. Экологические аспекты лесоразведения и лесопользования.................................................81
  3.1. Рекреационное лесопользование и парколесоустройство рекреационных объектов..........................................81
  3.2. Основные средства и правила композиции объектов рекреационного лесопользования.................................109
  3.3. Организация и ведение паркового и лесопаркового хозяйства в объектах рекреационного назначения...........................119
  3.4. Методика региональной оценки бюджета углерода лесов.......138
  3.5. Контрольные вопросы по разделу............................161
  3.6. Список рекомендуемой литературы по разделу................162
4. Антропоэкология. Здоровье и окружающая среда..................164
  4.1. Соотношение антропоэкологии и социальной экологии.........165
  4.2. Системный подход к концепции человека.....................168

3

  4.3. Экология человека и философская антропология............171
  4.4. Экологические аспекты валеологии...........................174
  4.5. Методики расчета индекса массы тела.....................205
  4.6. Основные принципы рационального питания....................207
  4.7. Контрольные вопросы по разделу..........................210
  4.8. Список рекомендуемой литературы по разделу..............211
5. Проблема экологической безопасности в природно-техногенных системах................................212
  5.1. Обеспечение экологической безопасности России...........212
  5.2. Концепция безотходности.................................213
  5.3. Использование данных экологического мониторинга в управлении качеством окружающей среды......................216
  5.4. Контрольные вопросы.....................................223
  5.5. Список рекомендуемой литературы по разделу..............223
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................224
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...............................225
Приложение А. Экологические районы России (номер, название, ранг).228
Приложение Б. Шкала рекреационной оценки условий среды для выбора мест под ландшафтные парки на Урале.................230
Приложение В. Конверсионные коэффициенты для расчета
запаса углерода в мертвой древесине по объемному запасу древесины лесного насаждения.............................................232
Приложение Г. Времена зарастания вырубок и гарей по субъектам РФ..236
Приложение Д. Концепции человека в современной философской антропологии...................................................239
Приложение Е. Факторы, влияющие на здоровье человека..............242
Приложение Ж. Нормативные обоснования проекта рекреационных зон
урбанизированных территорий по СП 42.1333.2011 Градостроительство.244
Приложение З. Понятийный аппарат..................................246
Приложение И. Ученые, труды которых использовались при написании работы...........................................250
Приложение К. Технические изобретения XX века..................252

4

        ВВЕДЕНИЕ


     Экология изначально возникла как наука о среде обитания живых организмов (растений, животных (в том числе и человека), грибов, бактерий и вирусов), о взаимоотношениях между организмами и средой их обитания и о взаимоотношениях организмов друг с другом. Долгое время экология была представлена всевозможными частными экологическими дисциплинами: экологией растений, экологией животных, экологией грибов и т. д. Эти дисциплины формировались в рамках соответствующих таксономических разделов биологии -ботаники, зоологии, микологии идр., как подразделения этих наук.
     По мере накопления знаний о взаимодействии живых организмов со средой обитания исследователи поняли, что на Земле существуют своеобразные системы, состоящие из живых организмов и неживого вещества. Для них характерен высокий уровень организации, наличие прямых и обратных связей между компонентами (частями этих систем), способность к поддержанию своего состояния при всевозможных возмущениях, т. е. эти системы, состоят из упорядоченно взаимодействующих и взаимозависимых компонентов, образующих единое целое. Они были названы экологическими, или экосистемами.
     Экосистемы как структурно-функциональные единицы жизни встречаются в толще океана, на дне самых глубоких морских желобов, в атмосфере на высоте нескольких десятков километров, в глубоких пещерах, куда никогда не проникает луч света, на поверхности ледников в Антарктиде и в высокой Арктике. Самая большая экосистема - биосфера - включает всю совокупность живых организмов планеты, взаимодействующих с неживой природой, и через нее проходит энергия Солнца, обеспечивая устойчивое равновесие биосферы.
     Поскольку современная экология - это быстро развивающаяся наука, характеризующаяся своим кругом проблем, своей теорией и своей методологией, то в последнее время она из строго биологической науки превратилась в значительный цикл знания, вобрав в себя разделы географии, геологии, химии, физики, социологии, теории культуры, экономики, и даже теологии. По сути дела, она этим подтвердила свой фундаментальный характер и обосновала связь со всеми сферами деятельности человека.
     Существуют разные мнения о том, что является предметом и объектом экологии в виду многообразия ее направлений, но в качестве основного ее содержания, в чем сходятся многие авторы, выступает исследование взаимоотношений организмов друг с другом и со средой обитания на популяционно-биоценотическом уровне, а точнее, изучение жизни биологических макросистем высокого ранга. То есть, предметом исследования экологии можно считать структурно-функциональную организацию биологических макросистем (популяции, биоценозы, экосистемы, в том числе и природно-технические системы, к которым относятся промышленные площадки предприятий и урбанизированные территории), а динамика изменения различных параметров данных образований в пространстве и во времени можно обобщенно считать объектом исследования. Из содержания, предмета и объекта исследования экологии вытекают и ее основные задачи, которые могут быть, как минимум, сведены к изучению

5

динамики популяций, к учению о биогеоценозах и их системах, к механизмам саморегуляции биосферы в техногенезе, ее продуктивности и энергетики, к системам управления этими качества окружающей среды на строго научной основе в условиях неизбежной индустриализации и урбанизации нашей планеты, и другие аспекты прикладного характера.
     Таким образом, можно сказать, что проникновение экологии как фундаментальной науки во все сферы деятельности человека заложило основы для возникновения многочисленных ее направлений, превратив ее, по мнению А. В. Яблокова, в философию XXI века, тот образовательный минимум современного человека, без которого невозможно дальнейшее развитие современного общества.

6

        1.  Особенности экологических последствий дисбаланса компонентов окружающей среды

    ...
    1.1. Теоретические основы возникновения экологического дисбаланса

      В результате постоянного роста темпов научно-технического прогресса (НТП), человечество столкнулось с рядом масштабных проблем, среди которых особое место занимают взаимоотношения в системе «человек - окружающая среда». XX столетие ознаменовано ростом численности населения и объемов производства, которое связано было в том числе с усложненнием техники и технологии производства (Приложение К).
      В 2000 году на Саммите тысячилетия был представлен доклад, в котором очерчены некоторые из неотложных задач, стоящих перед народами мира. Все эти предложения изложены в контексте глобализации, которая меняет мир на пороге XXI века. Глобализация открывает широкие возможности, но в настоящее время ее блага распределяются очень неравномерно, а за ее издержки расплачиваются все. Доклад «Мы, народы: роль Организации Объединенных наций в XXI веке» рассмотривает приоритетные области стратегического характера, которые встают перед человечеством в новом тысячелетии, и подчеркивается, что «задача обеспечить для последующих поколений экологически устойчивое будущее станет одной из самых сложных» (см. таблицу 1.1).


Таблица 1.1

Изменения окружающей среды и ожидаемые тенденции до 2030 г.

Характеристика            Состояние                Сценарий к 2030 г.     
                     на настоящий момент                                  
  Сокращение     На суше скорость сокращения     Устойчивая тенденция,    
   плошадей      0,5-1,0 % в год; к середине   приближения к почти полной 
 естественных     1990-х гг. их сохранилось     ликвидации естественных   
   экосистем            порядка 40 %               экосистем на суше      
  Потребление                                 Устойчивый рост потребления:
   первичной        Увеличение масштабов          на суше до 80-85 %,     
 биологической  потребления: на суше до 40 %,    в глобальном масштабе    
   продукции     до25%- на глобальном уровне           до 50-60 %         
  Потребление       Увеличение масштабов      Устойчивый рост потребления:
   первичной    потребления: на суше до 40 %,     на суше до 80-85 %,     
 биологической   до25%- на глобальном уровне     в глобальном масштабе    
   продукции                                           до 50-60 %         
   Изменение                                     Ускорение темпов роста   
 концентрации       Ежегодное увеличение          концентраций оксидов    
тепличных газов         концентрации           углерода и метана за счет  
 в атмосферном        парниковых газов             увеличения темпов      
    воздухе                                     разрушения биоты планеты  

7

Продолжение таблицы 1.1

                             Состояние                                              
 Характеристика         на настоящий момент               Сценарий к 2030 г.        
   Разрушение                                            Сохранение динамики        
 озонового слоя,      Сокращение от1до2%в год           сокращения даже после       
   увеличение           концентрации озона               прекращения выбросов       
размеров озоновой    в атмоосфере, увеличение           хлорфторуглеводородов       
    дыры над           размеров озоновых дыр                  (2000 г.)             
   Антарктидой                                                                      
                     Скорость сокращения от117        Уменьшение площади лесных     
   Уменьшение      до 180±20 тыс. км2 ежегодно;   массивов в тропиках с 18 (1990 г.)
 площади лесов,         лесовосстановление             до 9-11 млн км2, наряду      
в первую очередь    относится к сведению лесов       с сокращением площади лесов    
   тропических          в соотношении 1:10                 умеренного пояса         
                     Площади пустынь ежегодно          Сохранение отрицательной     
                      увеличиваются примерно             тенденции приводящей       
                   на 60 тыс. км2, увеличивается      к росту эрозии, увеличению    
                     площадь токсичных пустынь          масштабов загрязнения,      
Деградация земель   Увеличение масштабов эрозии         сокращению земель с/х       
                  (24 млрд т ежегодно), тенденция     назначения. Возможен рост     
                  снижения плодородия, накопления     темпов вследствии снижения    
                      поллютантов, закисления           влагооборота на суше и      
                            и засоления                  накопления токсичных       
                                                          элементов в почвах        
Повышение уровня                                     Наряду с повышением уровня,    
  вод мирового       Уровень океана изменяется        возможно ускорение тепмов     
     океана               на 1-2 мм в год                   до 7 мм в год           
Аварии техноген-       Ежегодное увеличение                                         
 ного характера,   численности случаев на 5-7 %,       Сохранение отрицательных     
    стихийные      увеличение ущерба на 5-10 %,         тенденций, с возможным      
    бедствия       ежегодно увеличивается число       увеличением числа случаев     
                           жертв на6-12%                                            
   Сокращение           Высокие темпы роста                                         
    видового        исчезновения биологических           Тенденция разрушения       
  разнообразия                 видов                           биосферы             
    Истощение     Увеличение объемов образования                                    
 водных ресурсов     сточных вод, стационарных         Сохранение отрицательной     
 суши, нарушение       и линейных источников             динамики и возможное       
  качественных       загрязнения, разнообразия            увеличение темпов         
   показателей     поллютантов и их концентрации             воздействия            
   Накопление                                                                       
   поллютантов          Рост массы и числа                                          
   в средах и        поллютантов, накопленных            Сохранение тенденций       
   организмах,      в средах и организмах, рост        и возможное их усиление      
    миграция          радиоактивности среды,                                        
  в трофических         «химические бомбы»                                          
    цепочках                                                                        

8

Окончание таблицы 1.1

                              Состояние                                         
  Характеристика         на настоящий момент            Сценарий к 2030 г.      
    Изменение      Высокий уровень заболеваемости,                              
  качества жизни       рост бедности, нехватка                                  
в результате роста    продовольственного сырья,      Нехватка продовольствия,   
числа заболеваний,     высокий уровень детской      рост заболеваний, связанных 
    связанных        смертности, нехватка чистой   с экологическими нарушениями,
  с загрязнением    питьевой воды в развивающихся      увеличение масштабов     
 окружающей среды   странах; понижение иммунного     инфекционных заболеваний,  
 и возникновение      статуса, рост заболеваний      появление новых болезней   
  новых болезней       генетического характера                                  
                    и высокий уровень аварийности                               

      Изменения компонентов окружающей среды под давлением антропогенной деятельности носят всемирный характер и их называют глобальными. Основным устойчивыми негативными последствиями глобального характера являются:
      - изменение климата Земли;
      - разрушение озонового слоя;
      - выпадение кислотных осадков;
      - истощение пресных водных объектов и загрязнение вод Мирового океана;
      - оскудение биологического разнообразия;
      - деградация и загрязнение земельных ресурсов;
      -       увеличивающиеся объемы и масштабы загрязнения компонентов окружающей среды, в том числе в результате катастроф антропогенного характера.
      Различают четыре основных типа загрязнения компонентов окружающей среды: параметрическое (физические факторы) (свет, тепло, шум, ЭМИ, радиация); загрязнение химическими веществами (тяжелые металлы, пестициды, отдельные химические вещества, аэрозоли, пластмассы, моющие средства и др.); биологическое загрязнение (биогенное, микробное); урбанизационное воздействие (нарушение пейзажей, нерациональное использование участков под застройку, засорение твердыми отходами производства и потребления и т. п.); информационное (информационный шум, ложная информация, факторы беспокойства).
      В целом, открывающиеся новые возможности хозяйственной деятельности человека оказывают негативное влияние на сбалансированность природных систем за счет:
      -       уменьшения емкости биологического круговорота посредством изъятия биологической продукции и запасов органического вещества (чрезмерно вылавливаются биоресурсы, вырубается лес, добываются полезные ископаемые ит. д.);
      -       поступления в биологический круговорот постоянно возрастающих отходов производства, в основном не имеющих аналогов в природе, которые ведут к нарушению сложившихся трофических (пищевых) цепей.

9

     Под воздействием технического прогресса изменяется не только «вертикальная» организация отдельных геосистем, но и горизонтальные связи между ними. Хозяйственная деятельность усиливает межэкосистемные связи. С каждым годом постоянно увеличиваются масштабы антропогенного перемещения вещества и энергии из одной экосистемы в другую (добыча природных ресурсов осуществляется в одних районах, а их переработка и потребление в других), тем самым, оказывая влияние на устойчивость планеты Земля.
     Природа в ответ на давление со стороны человека отвечает участившимися катастрофами антропогенного происхождения, которые приобрели характер национальных бедствий.
     Обостряющаяся экологическая ситуация во всем мире, теснейшим образом связана с социально-политическими и демографическими процессами в обществе. Чрезмерный рост потребления природных ресурсов, небывалое увеличение численности населения, деградация экосистем и загрязнение окружающей среды - это те негативные взаимосвязанные тенденции, которые приобрели устойчивый характер. И, как подметил Б. В. Преображенский, - одновременно с глобальными проблемами, имеющими сильный географический подтекст, на арену науки вышла проблема человека.
     Техногенные воздействия на атмосферу стали причиной таких глобальных изменений, как разрушение озонового слоя, «парниковый эффект», выпадение кислотных дождей.

    1.2. Разрушение озонового слоя Земли

     Озоновый слой представляет собой глубокий слой в атмосфере Земли, который содержит озон - молекулу, содержащую три атома кислорода. Эти молекулы озона образуют газообразный слой в стратосфере Земли. Нижняя область стратосферы, содержащая относительно высокую концентрацию озона называется озоносфера, которая находится на высоте от 15 до 35 км над поверхностью земли. Своему существованию озоновый слой обязан деятельности фотосинтезирующих растений (выделение кислорода) и действию на кислород ультрафиолетовых лучей:
3Ог+235кДж = 2Оз.
     Средняя концентрация озона в атмосфере составляет около 0,6 частей на миллион. Толщина озонового слоя отличается в зависимости от сезона и географического месторасположения. Наиболее высокие концентрации озона находятся на высоте от 26 до 28 км над тропиками и от 12 до 20 км над полюсами.
     Озоновый слой защищает нашу планету от вредных излучений солнца. Впервые озоновый слой был обнаружен в 1913 году французскими физиками Чарльзом Фабри и Анри Буисоном. Озоновый слой обладает способностью поглощать почти 97-99 % вредных ультрафиолетовых излучений солнца, которые могут производить долгосрочные разрушительные воздействия на людей, растения и животных. Существуют естественные причины истощения озонового слоя. Было обнаружено, что влияние некоторых природных явлений, таких как

10