Основы геоэкологии Голубев Геннадий
Основные типы проблем, связанных с загрязнением различных водных объектов, представлены в табл. 11.
Таблица 11
Основные проблемы качества воды
Рассмотрим основные особенности этих проблем.
Заражение патогенами – очень важный фактор высокой заболеваемости и смертности от желудочно-кишечных болезней. Оно находится в прямой зависимости от плотности населения и уровня его социально-экономического развития и потому в большей степени характерно для развивающихся стран. В развитых странах вода в системах питьевого водоснабжения обрабатывается, в то время как в развивающихся странах обработка не всегда удовлетворительна, если она вообще производится. Даже в развитых странах загрязнение патогенами контролируется не полностью, как мы это только что видели в случае с криптоспо-ридиозом в США. В развивающихся странах оно широко распространено вниз по течению от городов и густонаселенных сельских территорий вследствие недостаточного развития канализации и систем очистки воды. В Индии, например, достаточно полная очистка сточных вод в конце 1980-х гг. производилась только в 8 городах из 3119 и в 217 городах производилась частичная обработка. Река Ямуна, протекающая сквозь Нью-Дели, получает ежесуточно 0,2 млн куб. м совершенно необработанных сточных вод. В результате индекс патогенного загрязнения воды увеличивается в пределах города в 3200 раз, достигая 24 млн колипалочек на 100 мл воды. Высокий уровень загрязнения патогенами и органическими веществами отмечается в р. Ганг, где осуществляется специальная программа улучшения состояния этой великой реки Индии.
Заражение патогенами и загрязнение органическими веществами взаимосвязаны. Органические вещества – самая большая группа загрязнителей, исторически появляющаяся обычно первой, в самом начале процесса загрязнения реки. Они попадают в воду в растворенном или взвешенном виде, главным образом со стоками канализации или с нерегулируемыми бытовыми стоками. В отдельных местах целлюлозно-бумажная и пищевая промышленность также вносят свой заметный вклад. Географическое распространение загрязнения органическими веществами в целом совпадает с распространением патогенного заражения.
При относительно небольшом уровне сбросов загрязняющих веществ по сравнению со стоком реки, принимающей загрязнения, загрязненная вода перемешивается с речной, и качество воды в реке, хотя и ухудшающееся, остается все же приемлемым. Обычный уровень разбавления – порядка 10–12 раз. При росте объема сточных вод разбавление уже не решает проблему («Solution to pollution is not dilution»[8]). Здесь видна аналогия с высокими и сверхвысокими трубами как средством снижения загрязнения воздуха вблизи предприятия за счет перемешивания загрязнений с более чистым воздухом. В обоих случаях стратегия разбавления – это лишь временное и неглубокое решение проблемы.
Реки обладают значительной самоочищающей способностью благодаря растворенному в воде кислороду, количество которого постоянно пополняется из атмосферы вследствие турбулентного режима течения рек. Когда поступление органических веществ в реку начинает превышать ее самоочищающую способность, загрязнение воды прогрессивно возрастает. Для решения проблемы загрязнения воды органическими веществами и патогенами необходимо осуществлять комплекс мероприятий. Главную роль здесь играет снижение объема поступающих с бассейна загрязнений и, с другой стороны, строительство очистных сооружений.
За последние два-три десятилетия, вследствие целенаправленной стратегии, загрязнение природных вод патогенами и органическими веществами в развитых странах уменьшилось. Увеличилась концентрация растворенного кислорода и снизилась величина БПК. Были затрачены значительные усилия по снижению притока сточных вод и вложены значительные средства в строительство очистных сооруженией и модернизацию существующих, причем они выполняют не только первую и вторую стадии очистки (механическую и биологическую соответственно), но и во многих случаях третью, химико-биологическую, очищающую сточные воды от соединений фосфора и азота.
В развивающихся странах, наоборот, загрязнение органическими веществами и заражение патогенами растут вследствие увеличения объема бытовых стоков при низком качестве или отсутствии систем очистки сточных вод. Для более чем 1,7 млрд жителей развивающихся стран необходимо построить инженерные системы канализации. Поскольку содержание кислорода в воде обратно пропорционально ее температуре, климатические условия развивающихся стран также играют неблагоприятную роль в снижении самочищающей способности рек. Несмотря на значительные успехи в строительстве систем питьевого водоснабжения и канализации в развивающихся странах, расширение этих систем не поспевает за ростом населения и в особенности за увеличением численности населения крупных городов, и общий уровень загрязнения воды продолжает увеличиваться, превращая эту геоэкологическую проблему в одну из важнейших.
Взвешенные вещества в речных водах – это преимущественно тонкие частицы почвы. Концентрация взвешенных наносов является показателем степени водной эрозии почвы и потому состояния бассейна. Сельское хозяйство играет значительную роль в этом процессе. В целом, при прочих равных условиях, чем выше площадь пахотных земель, тем больше сток наносов.
Общий сток наносов по рекам мира оценивается приблизительно в 20 млрд т в год. Перемещение наносов в пределах речных бассейнов, по крайней мере, в пять раз больше, порядка 100 млрд т. Деятельность человека значительно увеличивает сток наносов, во многом благодаря нарушению естественного состояния поверхности почв в бассейне реки. Антропогенно увеличивающийся сток наносов приводит к ухудшению условий судоходства на реках, заилению водохранилищ и оросительных систем. Имеются расчеты, указывающие, что в США экономические потери от эрозии почвы меньше, чем ущерб от наносов, переносимых реками.
Тонкие частицы почвы, переносимые в виде наносов, обычно адсорбируют на своей поверхности соединения фосфора. Это тот самый ил, который р. Нил приносила на поля каждое половодье, поддерживая плодородие почв Египта в течение тысячелетий. После сооружения плотин на реках почти все наносы аккумулируются в водохранилищах вместе с адсорбированным фосфором. Это ведет к снижению как плодородия почв, так и рыбной продуктивности в нижних бьефах плотин. Мероприятия по снижению эрозии почвы в бассейнах рек в то же время управляют перемещением фосфора в бассейне. Мы снова видим высокую степень сложности взаимосвязей в экосфере и ведущую роль воды в управлении территориальными системами.
Причины и факторы асидификации обсуждались в разделе V.4. Принято, что природные воды находятся в состоянии асидификации, если показатель их кислотности (рН) равен или меньше 5,0. В Швеции насчитывается 85.000 озер. Из них 4000 рассматриваются как серьезно асидифицированные и 18 000 бывают подкисленными в некоторые критические периоды, в особенности во время снеготаяния. В 4500 озерах почти нет рыбы, а 1800 озер столь асидифицированы, что стали почти безжизненными. В южной Норвегии тысячи озер асидифицированы, из них 1750 потеряли рыбу. В Финляндии асидифицированы 500 озер из 8000. В Швеции рН воды озер уменьшился от более чем 6,0 в 1940-х гг. до менее чем 5,0 в 1970-х гг, то есть кислотность выросла более чем в 10 раз, и с тех пор рН почти не меняется. Имеется много указаний на асидификацию озер в Канаде, США, Дании, западной и северной Великобритании, Германии, Нидерландах, Австрии, Швейцарии.
Многие процессы в экосфере определяются кислотно-щелочными реакциями, то есть зависят от величины рН. Все биологические процессы в водоемах, такие как рост водорослей, распад микроорганизмов, нитрификация и денитрификация, имеют свою оптимальную величину рН, обычно в пределах 6–8. Изменения флоры и фауны в водных экосистемах – важный индикатор асидификации. В озерах восточной Канады ракообразные, насекомые, некоторые водоросли и зоопланктон исчезают уже при рН=6,0. В связи с высокой токсичностью для рыб иона алюминия, весьма мобильного при рН<5,5 и потому появляющегося в воде озер, количество видов рыб и их численность сокращается. Рыбные популяции исчезают при уменьшении рН до 5,0. При рН<5 репродукция земноводных ограничивается. Подобная картина характерна и для озер Скандинавии.
Асидификацией озер можно в определенной мере управлять. Общая цель заключается в уменьшении кислотности воды до уровня рН>5,0. Существуют два основных подхода: а) снижение выпадения кислотных осдков на озеро и весь его бассейн; б) непосредственное воздействие на воду, главным образом путем ее известкования.
Мы уже обсуждали вопросы снижения кислотных выпадений в разделе V.4. Воздействие на воду как озер, так и их притоков достигается посредством внесения известняка. Стоимость его в Скандинавии составляет примерно 10–25 долларов США за тонну, включая стоимость затрат по внесению вещества. Около четвертой части площади Швеции, или около 118 000 кв. км, нуждаются в известковании. Стоимость таких работ составляла бы более 20 млн долларов в год. Известкование в Швеции проводится на примерно 3000 озер. Одна из важных проблем при этом – необходимость учитывать накопление тяжелых металлов в озере (кадмия, никеля, ртути, хрома, меди, цинка), поскольку известняк содержит их в определенных концентрациях.
После известкования химическое состояние воды озера быстро улучшается и реакция становится близкой к нейтральной. Биологическое восстановление происходит медленно, а популяция рыб полностью не восстанавливается даже в течение пяти лет после известкования. Для поддержания озер в удовлетворительном состоянии известкование необходимо периодически повторять.
Слово эвтрофикация буквально означает процесс усиленного питания. Избыточное поступление биогенных веществ, то есть соединений фосфора и азота, в озера, водохранилища и устья рек, а также в морские прибрежные воды приводит к взрывному росту водных растений, в особенности микроскопических водорослей, а также и макрофитов. Происходит периодическое бурное развитие («цветение») водорослей, которое может охватывать крупные по площади водохранилища, такие как водохранилища Волжского и Днепровского каскадов. После цветения микроскопические водоросли отмирают, зачастую отбирая из воды весь растворенный кислород для окисления и декомпозиции этой биомассы. Качество воды ухудшается как во время цветения, так и во время деструкции отмерших водорослей.
Эвтрофикация приводит к ряду неблагоприятных экономических последствий: ухудшение качества воды, снижение рекреационной ценности озера, снижение рыбной популяции, блокирование водосбросов, каналов и даже навигационных путей.
Эвтрофикация – это медленно развивающийся естественный процесс. Однако, во многих местах он сильно ускоряется в результате деятельности человека, становясь, таким образом, процессом экологической деградации. Эвтрофикация – это также и проявление серьезных антропогенных изменений глобальных биогеохимических циклов фосфора и азота. Главными источниками поступления азота и фосфора являются сельское хозяйство (как полеводство, так и животноводство) и бытовые стоки. В большинстве случаев основной причиной эвтрофикации является увеличение нагрузки соединений фосфора, но иногда ведущую роль играет азот. Управление эвтрофикацией обычно направлено на снижение фосфорной нагрузки. Бассейн озера рассматривается как единое целое, и действия основаны на тщательном анализе источников фосфора, затрат на его удаление или снижение нагрузки, социальных или политических обстоятельств. Это типичная задача системного анализа, с успехом неоднократно применявшегося, например, к решению проблемы Балатона.
Озеро Балатон в Венгрии – самое большое озеро в Средней Европе. Мелкое озеро (средняя глубина 3 м) с хорошо прогреваемой летом водой привлекает на свои берега до 1 млн туристов, являющихся важным источником доходов венгерской экономики. Большой приток отдыхающих – это и благо, и вред для озера. Часть бытовых стоков попадала непосредственно в озеро, на дне которого накапливались соединения биогенов. Самый крупный приток озера, р. Зала, прежде чем достичь озера, протекала через озеро-болото Киш-Балатон, где отлагались тонкие частицы речных наносов, обогащенные фосфором. Некоторое время тому назад было решено ликвидировать Киш-Балатон, и основное озеро начало дополнительно получать избыточный фосфор, соединения которого также аккумулировались на дне озера. Каждый более или менее сильный ветер перемешивает всю толщу воды мелкого озера, подавая в воду соединения фосфора вместе с мутью со дна. В результате процесс эвтрофикации озера ускорился; в части озера, примыкающей к устью Залы, стало наблюдаться цветение воды. Это стало угрожать доходам, получаемым от туризма. Управление режимом Балатона стало одной из важных государственных задач. Был восстановлен Киш-Балатон, ограничено применение удобрений, построены системы канализации. Рост эвтрофикации озера приостановлен, хотя полной уверенности в том, что процесс обратим, пока нет.
Проблема антропогенной эвтрофикации водоемов и прибрежных зон морей возникла в развитых странах 20–30 лет тому назад. Сейчас появляются признаки серьезности проблемы эвтрофикации во многих развивающихся странах мира, например, в Бразилии, Филиппинах, Китае, Марокко и др., и нет сомнения, что этот процесс, основанный на интенсификации глобальных биогеохимических циклов биогенных элементов, будет расширяться и усиливаться.
Важнейший источник нитратов в природных водах и источниках водоснабжения – сельскохозяйственные удобрения. Нитраты отличаются высокой растворимостью, и потому значительная их часть (не менее 15 % от исходного количества) уходит в водные объекты, прежде всего в подземные воды. Чем выше интенсивность сельского хозяйства и продолжительнее история применения удобрений, тем больше нитратное загрязнение. Во многих странах Западной Европы (Германия, Чехия, Дания, Франция и др.) примерно половина скважин и колодцев содержит воду, непригодную для употребления из-за повышенного содержания нитратов. Высокий уровень концентрации нитратов отмечен и в других местах, в том числе в развивающихся странах, где главными источниками загрязнения могут быть области высокой плотности населения, не охваченные инженерными системами канализации. Находящиеся в избыточной концентрации в питьевой воде, нитраты могут вызвать проблемы со здоровьем, в особенности болезнь крови у детей и риск рака у взрослых. Установленная Всемирной Организацией Здравоохранения (ВОЗ) норма содержания нитратов в питьевой воде – 11 мг азота N в виде NO3.
Проникновение нитратов в подземные воды, как и вообще загрязнение подземных вод, – серьезная проблема, потому что скорости движения подземных вод несравнимо меньше поверхностных, и раз проникнув в гидрогеологическую формацию, загрязненная вода может оставаться там весьма продолжительное время, даже если поступавшее с поверхности загрязнение приостановлено. Когда загрязнитель уже находится в зоне аэрации и движется книзу, мало что можно сделать для исправления положения. Регулирование поступления нитратов с поверхности представляет собой типичную стратегическую задачу управления рассеянным загрязнением.
Минерализация воды – термин, означающий содержание в воде растворенных веществ. Усиление деятельности человека приводит к росту содержания в воде основных ионов, встречающихся в природе (хлоридов, сульфатов, гидрокарбонатов, кальция, натрия, калия – в зависимости от климатических условий). В особенности повышается минерализация вод вследствие развития орошения в басейнах рек аридных районов, где возвратные воды приносят в реки много веществ, выщелоченных из почвенных горизонтов. В низовьях Сырдарьи, например, за последние 30 лет минерализация увеличилась от менее чем 1 г/л до почти 3 г/л. Подобная картина характерна также для Амударьи и р. Колорадо. В соответствии с соглашением между Мексикой и США, северный сосед должен подавать в Мексику воду не только согласованного объема, но и требуемого качества. Для этого на границе построена опреснительная установка, снижающая минерализацию воды до необходимого уровня.
Тяжелые металлы и мышьяк – серьезная проблема качества воды многих водных объектов мира. Из почти 100 химических элементов, обнаруженных в земной коре, в состав живого вещества входят, в заметной концентрации, только 22 наиболее легких, кверху от кальция в верхней части таблицы Менделеева. В промышленности используются также тяжелые элементы, чуждые организму и потому часто токсичные, такие как кадмий, свинец, ртуть, цинк, хром, медь и др. Вместе со сточными водами они попадают в источники водоснабжения.
Тяжелые металлы могут находиться в небольших (но весьма опасных) концентрациях в обработанных (но полностью не очищенных!) сточных водах или в более концентрированном виде на свалках опасных отходов. Многие коммунальные очистные сооружения также получают индустриальные стоки, содержащие тяжелые металлы. Горнодобывающая промышленность и цветная металлургия – это другой источник загрязнения воды того же рода, в особенности в развивающихся странах. Аллювиальные отложения также могут содержать значительное количество тяжелых металлов. Например, в донных отложениях рукава Невы, Екатериновки, накопился свинец в такой концентрации, что его в принципе экономически выгодно добывать.
Основная стратегия управления для тяжелых металлов заключается в управлении технологическими процессами. Развитые страны добились в этом отношении значительных успехов. В Голландии сбросы ртути, кадмия, хрома, свинца и цинка в поверхностные воды и в системы канализации были сокращены за 15 лет (1975–1990 гг.) в 6-12 раз. Более жесткие стандарты на сбросы соединений тяжелых металлов и других загрязнителей привели ко многим случаям незаконного транспорта опасных промышленных отходов из развитых в развивающиеся страны. В конечном итоге, это привело к заключению Базельской конвенции (1988 г.) по трансграничной перевозке опасных отходов.
В настоящее время в производстве и использовании находятся порядка 100 000 химических, преимущественно органических, веществ. Попадание в окружающую среду части этих веществ в малых концентрациях практически неизбежно. Ухудшение качества воды вследствие органических микрозагрязнителей связано со стоками таких секторов промышленности, как производство синтетических веществ и пестицидов, черная металлургия, нефтеперегонная, целлюлозно-бумажная и текстильная промышленность, добыча угля и др.
Концентрация органических загрязнителей в природных водах обычно ниже 1000 нанограмм на литр, или 1 часть на миллиард. Столь малая концентрация требует очень высокой, часто недостижимой точности измерений наличия и концентрации этих веществ в воде. Результаты измерений зачастую несравнимы и ненадежны. В то же время измерения этих поллютантов необходимы вследствие их крайне высокой токсичности. Один грамм полихлорированных бифенилов (ПХБ) (диоксин и др.) делает непригодным для жизни в воде объемом около 1 млн куб. м воды. Широко известный ДДТ принажлежит к тому же классу загрязнителей. Оба класса, ПХБ и ДДТ, относятся к хлорорганическим соединениям. Они отличаются долгой продолжительностью нахождения в окружающей среде, передаются по пищевым цепям, накапливаясь в отдельных их звеньях и, в частности, обладают способностью подавлять иммунные системы организма.
Глобальная картина географического распределения загрязнения воды органическими микрозагрязнителями пока не ясна. Можно сказать, что они почти вездесущи, с более высокой концентрацией в индустриальных районах и в сельских областях с неконтролируемым употреблением пестицидов.
Стремление некоторых стран к экономическому развитию любой ценой приводит к ухудшению состояния окружающей среды, в том числе к снижению качества воды. Мы уже указывали, что химические и физические свойства воды существуют в природе независимо от общества, тогда как стандарты качества воды устанавливаются правительствами с учетом социальноэкономических, технологических, естественных, культурных и других аспектов. Во многих странах стандарты качества воды основаны на рекомендациях международных организаций, например, на стандартах, разработанных ВОЗ.
Стандарты качества воды различаются в зависимости от целей использования воды: питьевой воды, воды для домашнего хозяйства, рыбного хозяйства, рекреации, орошения, промышленности и пр. Естественно, что требования к питьевой воде и воде для рыбного хозяйства наивысшие, для рыбного хозяйства даже выше, потому что питьевая вода может быть обработана после ее забора из источника.
Стандарты качества воды – это важный инструмент управления состоянием окружающей среды. Предприятия могут платить штрафы, если сбросы воды не соответствуют стандартам, или налоги, пропорциональные степени вклада в загрязнение воды. Эти меры помогают в решении проблем качества воды в развитых странах. Однако по ряду разнообразных причин (недостаток необходимого оборудования для измерений, отсутствие или несоблюдение соответствующих законов и пр.) они не действенны в большинстве развивающихся стран и, по-видимому, стран с переходной экономикой.
Западные страны добились значительных успехов в управлении точечными источниками загрязнения, хотя и в этих странах есть большие возможности для улучшения качества воды. В быстро развивающихся странах, таких как Бразилия, Китай, Индия, Мексика, Индонезия, Таиланд, Малайзия и др., вследствие невысокой приоритетности проблем экологии качество природных вод ухудшается, а во многих случаях, когда следуют правилу «загрязняй сегодня, очищай завтра», оно попросту ужасающее. В этой категории стран лишь немногие имеют эффективную систему законов, правил и структур, обеспечивающих их выполнение. Приходится признать, что Россия принадлежит к этой последней категории.
Наряду с «обычным» загрязнением воды, увеличивается число случаев катастрофических ситуаций, когда вследствие технологической аварии в реку, озеро или подземные воды попадает значительный объем высоко токсичных вод, наносящих серьезный и долговременный ущерб. Такие катастрофы случаются и на реках России.
Штрафы, налоги и другие меры экономического характера мало успешны в случае управления рассеянным загрязнением. В таких случаях необходимо обратить внимание на улучшение технологии сельскохозяйственных работ, таких как вспашка, внесение минеральных и органических удобрений, методы орошения и т. д. Управление неканализованными стоками сельских поселений и малых городов также относится к этой категории.
Управление качеством воды на уровне речного (озерного) бассейна или гидрогеологической формации – чрезвычайно сложная задача системного характера, которая должна осуществляться как часть стратегии социального, экономического и экологического развития бассейна. Тогда в ней должно оказаться место для управления как точечным, так и рассеянным загрязнением, равно как и для решения конкретных проблем качества воды, приведенных в табл. 11 и обсуждавшихся выше.
VI.2.5. Дефицит и деградация вод суши
Как видим, вода – важнейший агент и фактор экосферы. Она присутствует практически во всех важнейших проблемах геоэкологии и часто играет в них определяющую роль. Вода – это и важнейший природный ресурс общемирового значения, отличающийся, однако, локальностью его использования. Водные проблемы неразрывно вплетены в контекст многих природных и общественных процессов.
В мире существует много областей с локальным дефицитом воды. К ним относятся также многие территории России, в особенности ее европейской части и Урала. Размеры вододефицитных территорий будут увеличиваться, а глубина дефицита усиливаться, что будет важнейшим фактором социально-экономической и политической неустойчивости как внутри стран, так и в отношениях между странами. Увеличение доступных водных ресурсов посредством гидротехнических проектов приносит не только ожидаемые выгоды, но и значительный, прежде всего, геоэкологический ущерб. По-видимому, ущерб от неопределенности последствий при значительных масштабах гидромелиоративных преобразований превышает ожидаемые выгоды, что ставит предел использования водных ресурсов значительно раньше их исчерпания.
Во многих местах мира и России отмечается быстрое ухудшение состояния водных объектов, вплоть до катастрофического. Вопросы качества воды столь же вплетены в единую ткань многих природных и общественных процессов, как и вопросы водных ресурсов. Многие локальные кризисы качества воды переходят в катастрофы, затрагивающие важные региональные вопросы, казалось бы напрямую не связанные с водными проблемами.
Нарастание дефицита водных ресурсов и прогрессирующее ухудшение их качества объединяются под общим понятием деградации природных вод. В России проблема сохранения чистой воды переросла в общегосударственную, учитывая масштабы количественного и качественного истощения природных вод; природные воды оказались в России наиболее подверженными деградации, так как они служат коллекторами загрязнений из всех других сред и в связи со спецификой расположения основных загрязняющих промышленных и сельскохозяйственных комплексов в верховьях и среднем течении основных рек Федерации. Масштабы и темпы деградации природных вод России намного выше других природных сред и требуют решительных действий и специальных целевых программ.
Столь же тревожны сведения о деградации природных вод суши во многих других странах. Известно, что разрушение сложных систем происходит по слабому звену. Имеются серьезные основания предполагать, что воды суши и есть такое слабое звено в кризисе состояния экосферы.
VI.3. Мировой океан. Влияние деятельности человека
VI.3.1. Основные геоэкологические особенности океанов и морей
Главная особенность Мирового океана – его огромные, подавляющие размеры. Широко известно избитое, но тем не менее верное замечание о том, что наша планета должна бы называться не Земля, а Океан. В самом деле, Мировой океан занимает 361 млн кв. км, или 71 % всей поверхности планеты. Важнейшее глобальное следствие такого соотношения суши и моря – в его влиянии на водный и тепловой баланс Земли. Около 10 % солнечной радиации, поглощенной поверхностью океана, расходуется на нагревание воды и турбулентный обмен теплом между поверхностными слоями воды и нижними слоями атмосферы, остальные же 90 % затрачиваются на испарение. Таким образом, испарение с поверхности океана является как главным источником воды в глобальном гидрологическом цикле, так и, вследствие высокой скрытой теплоты испарения воды, важным фактором глобального теплового баланса.
Масса океана составляет 94 % массы гидросферы. Мировой океан – важнейший регулятор потоков в глобальном гидрологическом цикле: его объем велик по сравнению с любой составляющей цикла и средняя продолжительность обмена воды в океане весьма велика и составляет 3000 лет.
Поверхностная зона океана (глубиной 0-200 м) обладает весьма значительной теплоемкостью и наибольшей среди геосфер тепловой инерцией. Она играет важнейшую роль в формировании текущего климата планеты, его пространственного распределения и изменчивости во времени. Воздействие ветра на верхний слой воды определяет основные черты океанической циркуляции в поверхностной зоне. Циркуляция океана обеспечивает глобальное перераспределение энергии из экваториальных зон к полюсам. Поверхностная зона океана – важнейший компонент климатической системы, принимающий активное участие в формировании среднего годового климата, его изменений от года к году, а также и его колебаний в масштабе десятилетий и столетий.
Внешние воздействия на океан осуществляются почти исключительно посредством воздействия на него атмосферы, благодаря потокам тепла, пресной воды и количества движения у поверхности океана. Таким образом, эволюция климата и эволюция океана взаимосвязаны.
Глубокие зоны океана в гораздо меньшей степени, чем поверхностные зоны, подчиняются закону географической зональности, а чаще и вовсе не подчиняются. Основные глубинные и придонные потоки воды формируются в полярных областях и направлены вначале к противоположным полюсам (рис. 15). Большее или меньшее их участие в природных процессах у поверхности океана и изменение степени этого участия – важнейший фактор изменения основных черт экосферы.
Глубинная (глубиной 2000–4000 м) и придонная (глубже 4000 м) зоны Мирового океана составляют 64 % всего его объема. Температура воды в этих зонах от 3 °C и менее. Средняя температура всей массы Мирового океана всего лишь около 4 °C благодаря холодным глубинной и придонной толще. Вертикальная циркуляция океанических вод под влиянием разности плотности воды вследствие различий в ее температуре и солености вызывает перемещение вод с поверхности в глубинные слои, где она может оказаться изолированной от атмосферных воздействий, сохраняя теплозапас в течение периодов времени порядка тысячелетий и более. Высвобождение или, наоборот, накопление такого теплозапаса может оказаться решающим в долговременных изменениях климата.
Рис. 15. Основные глубинные течения Мирового океана
Низкая температура Мирового океана и его огромная тепловая инерция играют важнейшую палеогеографическую роль. Глубинные слои – это не только долгосрочный теплорегулятор системы Земля. Усиление или ослабление теплообмена между глубинными слоями океана и его поверхностью играет, по-видимому, решающую роль в глубоких и долгосрочных преобразованиях климата Земли и, соответственно, в изменениях ее ландшафтов. При этом изменения теплообмена глубинных масс океана с поверхностными и распределение поверхностных течений могут изменяться в масштабе времени порядка десятков лет, то есть чрезвычайно быстро, принимая во внимание размеры Мирового океана (рис. 16).
Мировой океан – это также и огромный аккумулятор веществ, содержащий их в растворенном виде в количестве около 50*1015 т. (Напомним, что средняя концентрация растворенных веществ в морской воде, или ее соленость, – 35 г/л.) Соленость воды изменяется в пространстве, но ее химический состав (в %% от целого) остается постоянным. Ежегодный приток солей в океан примерно на семь порядков величины (в 107 раз) меньше их содержания в океане. Это обстоятельство играет значительную роль в стабилизации биогеохимических циклов и экосферы в целом.
Рис. 16. Изменения в расположении фронта холодных вод в Северной Атлантике
Океан содержит около 4*1012 т углерода в растворе, в виде взвесей и в живых формах. На суше, в живых организмах, почвах и распадающемся органическом веществе, углерода примерно в 20 раз меньше. Физико-химические условия в океане и взаимодействие с ними морской биоты предопределяют реакцию океана на изменение концентрации углекислого газа в атмосфере. Углекислый газ из атмосферы растворяется в воде или поглощается из нее планктоном в процессе образования первичной продукции (фотосинтеза). Этот процесс нуждается в солнечном свете, углекислом газе в воде и растворенных биогенных веществах (соединениях азота, фосфора и других химических элементов). Лимитирующим фактором обычно бывают биогенные вещества.
Первичная продукция образуется в верхних, хорошо освещенных слоях воды, куда биогены поступают или из планктона, отмирающего на тех же глубинах, или же с суши и атмосферы. При отмирании планктона содержащие углерод остатки опускаются в холодные глубинные слои океана и на дно. Этот процесс, иногда называемый «биологический насос», на самом деле чрезвычайно сложен. Он интенсивно изучается в настоящее время, но пока все же понят недостаточно. Биогеохимические процессы, связанные с поглощением углекислого газа, происходят преимущественно в поверхностной зоне океана, тогда как глубинная и придонная зоны играют важнейшую роль в долгосрочной аккумуляции углерода.
Биологический насос углерода – это процесс удаления углерода из поверхностного слоя океана в его глубины посредством как погружения остатков живых организмов, так и в виде растворенного органического вещества, переносимого течениями. В конце концов этот углерод на значительной глубине превращается бактериями в растворимую неорганическую форму, а малая его часть отлагается в виде донных осадков. Таким образом, биологический насос уменьшает концентрацию углекислого газа в верхнем слое океана, а также и в атмосфере, и увеличивает общее содержание углерода в глубинной и придонной зонах океана.
VI.3.2. Деятельность человека, влияющая на состояние океанов и морей
Деятельность человека, вызывающая изменение глобального климата, должна влиять как на состояние океанического звена гидросферы, так и на его взаимосвязи с другими геосферами. Однако, благодаря очень большой консервативности Мирового океана, можно надеяться, что его антропогенные изменения останутся незначительными в течение всего периода перехода к состоянию устойчивого развития. Эта общая, в целом оптимистическая, оценка не исключает катастрофические антропогенные ситуации на отдельных акваториях или касающиеся специфических вопросов.
Хозяйственная деятельность человека в Мировом океане разнообразна. Основная часть громоздких грузов, включая нефть, перевозится морем. Мировой океан – источник рыбных и других биологических ресурсов. Это также и источник минерального сырья, пока еще мало используемый. Океан также поглощает и преобразует продукты деятельности человека. По мере роста антропогенного давления эта последняя функция становится все более важной.
Основную часть океана, удаленную от берегов, часто сравнивают с пустыней. И действительно, величина первичной продукции в открытом океане на порядок меньше, чем на многих прибрежных акваториях. На карте первичной биологической продукции[9] на глубине 100 м основная часть Мирового океана находится в пределах контуров от 15 до 60 г С м-2год-1, тогда как пятна высокой первичной продукции выделены контурами от 200 до 500 г С м-2год-1.
Как правило, чем ближе к побережьям, тем больше антропогенная нагрузка. Внутренние моря и заливы отличаются большей антропогенной нагрузкой по сравнению с открытым океаном, причем чем больше степень закрытости водоема, то есть чем меньше водообмен с океаном, тем, при прочих равных условиях, выше нагрузка. Наконец, прибрежные зоны отличаются наивысшим антропогенным давлением вследствие активного рыболовства с переработкой улова, крупных и мелких портовых сооружений, повышенной плотности судоходства, транспортных связей с внутриконтинентальными районами, развитой промышленностью и энергетикой зачастую на привозном сырье и, наконец, многочисленного и быстро растущего населения.
Приоритеты в решении различных морских геоэкологических вопросов определяются, как правило, в зависимости от степени антропогенного давления. Поэтому сложность проблем и интенсивность геоэкологических процессов в целом увеличиваются по направлению от открытого океана (моря) к побережьям.
Рассмотрим основные виды деятельности человека, влияющие на состояние морей.
Деятельность в бассейнах рек, приводящая к изменениям гидрологического режима морей. Деятельность человека в бассейнах рек (расширение площади пашни, строительство и эксплуатация оросительных систем, вырубка лесов, применение удобрений и пестицидов, разнообразное строительство и др.) влияет на гидрологический режим рек, а через него и на режим морей, в особенности замкнутых.
В начале этого века, вследствие, главным образом, расширения земледелия, антропогенная доля потока наносов с суши в море была больше естественной, в глобальном или континентальном масштабе. В настоящее время плотины на реках и ирригационные системы, построенные преимущественно во второй половине этого столетия, перехватывают и значительно снижают сток наносов и биогенных веществ, в особенности соединений фосфора.
Антропогенный поток растворенных в воде биогенов с суши в прибрежные зоны морей равен, а иногда и намного больше естественного потока. Это одно из проявлений интенсификации глобального биогеохимического цикла биогенных элементов.
Речной сток в моря также в целом несколько ниже вследствие увеличившихся затрат воды на испарение, главным образом, из-за развивающегося орошения. Снижение стока рек приводит к росту солености морских вод в замкнутых морях и заливах, таких как Черное и Азовское моря или залив Сан-Франциско.
Использование земель в береговой полосе. Чем ближе к средней границе раздела между водой океана и сушей, тем обычно больше плотность использования земли и, соответственно, выше деградация земель береговой полосы. В этой полосе острее всего также и конкуренция в использовании земли между жилыми кварталами, портовыми и промышленными сооружениями. Главная область загрязнения – порты, куда загрязненная вода попадает с судов, стекает с городских территорий, как жилых, так и промышленных, поступает вместе с наносами рек. Зачастую акватории портов хуже промываются течениями, где и создается устойчивая зона загрязнения.
Рекреация – серьезнейший конкурент в использовании земель береговой полосы. Морские побережья – основное место отдыха, привлекающее около половины всех рекреантов мира, и к 2025 г. прогнозируется их увеличение вдвое. Только побережья Средиземного моря ежегодно посещают свыше 110 млн туристов. Приток масс отдыхающих в береговую полосу неизбежно вызывает ее загрязнение и деградацию, если только не принимаются специальные меры. Для удовлетворительного решения проблемы использования береговой полосы необходим интегрированный подход к планированию ее развития, учитывающий все основные аспекты проблемы.
Сброс в море загрязненных вод побережья. Как и в случае вод суши, существуют два основных механизма загрязнения вод – точечное и рассеянное. Основные загрязнители: патогенные микроорганизмы, органические вещества, соединения биогенных элементов, синтетические органические вещества, тяжелые металлы, нефтепродукты, загрязненные взвешенные наносы рек. Иногда заметную роль играет и тепловое загрязнение воды. Основные последствия загрязнения – инфекционные болезни, эвтрофикация прибрежных вод и дефицит кислорода, токсическое воздействие различных химических веществ на людей и природу.
Сброс в море загрязненных наносов. Порты, в особенности расположенные в устьях рек, нуждаются в проведении постоянных землечерпательных работ с перемещением большого количества наносов. Чистые наносы хотя и вызывают необходимость землечерпания, особого экологического вреда не приносят. Однако часть землечерпательного материала (по некоторым оценкам, около 10 %) бывает загрязнена тяжелыми металлами, нефтепродуктами, биогенными и хлорорганическими соединениями. Проток дельты Невы, Екатериновка, содержит около 40 кг свинца на тонну накопленного на дне песка и ила. На морском крае одного из основных рукавов дельты Рейна, проходящего сквозь крупнейший в мире порт г. Роттердама (Нидерланды), намыт искусственный остров из загрязненных наносов. Остров непригоден для обитания, но может быть использован для производственных целей, например, складов.
Загрязненными наносами можно в определенной степени управлять: сбрасывать на край шельфа, с тем чтобы они затем перемещались благодаря силам гравитации в более глубокую зону материкового склона; покрывать загрязненный материал чистым; аккумулировать наносы в специальных зонах ограниченного доступа и др.
Специальной проблемой является сброс промышленных отходов и продуктов отстоя очистных сооружений. Эти вещества могут быть чрезвычайно токсичными. Такие сбросы в море без обработки нельзя квалифицировать иначе, чем варварство.
Особая проблема – распространение пластикового мусора на поверхности морей и в полосе прилива и прибоя. Даже в открытом океане его встречается много. Это брошенные и потерянные сети, поплавки, упаковка товаров, бутылки и пр. Такой мусор практически не разлагается и остается на поверхности воды или на пляжах очень долгое время. Некоторые морские животные и птицы заглатывают пластиковый мусор, что приводит к неблагоприятным последствиям и даже их гибели.
Перевозка опасных веществ – важный фактор загрязнения морей. В особенности это относится к перевозке нефти и нефтепродуктов. Судоходство обеспечивает примерно половину антропогенного поступления нефти в Мировой океан. Карты загрязнения океана нефтью и основных морских линий во многом совпадают. Сбросы загрязненных веществ с судов полностью запрещены в закрытых морях, таких как Средиземное, Черное, Балтийское, Красное, Персидский залив, Аденский залив и др. Во многих местах запрещена промывка танкеров. Требования к еще более жесткому контролю сбросов с судов постоянно усиливаются.
Очень крупные экологические катастрофы связаны с выливанием нефти из танкеров в результате кораблекрушений. Вероятно, крупнейшей катастрофой такого типа был сброс в океан у берегов Франции 220 тыс. т нефти из трюмов затонувшего танкера «Амоко Кадис» (1978 г.). В 1989 г. танкер «Эксон Вальдес» сбился с курса и получил пробоину в заливе Принс Уилли-ам на Аляске. Вылилось около 39 тыс. т нефти, что привело к загрязнению 550 км побережья в условиях, где самоочищение происходит чрезвычайно медленно вследствие низкой температуры воды.
Аварии несколько меньших масштабов, но, тем не менее, катастрофические, происходят ежегодно и неоднократно. Российский танкер «Находка», следовавший в Японском море, во время шторма 2 января 1997 г. раскололся и затонул. В море вылилось 5 тыс. т мазута, что привело к загрязнению большой части побережья главного острова Японии Хонсю. Был нанесен весьма значительный ущерб добыче рыбы и морепродуктов, загрязнены пляжи одной из важнейших зон прибрежного отдыха Японии. Десятки тысяч добровольцев в течение недель убирали побережье, буквально вычерпывая ведрами загрязненное море и протирая тряпками каждую гальку на пляжах.
В 1985 г. судно «Ариадна» село на камни у входа в порт Могадишо (Сомали). Судно специализировалось на превозке опасных токсических отходов, и в момент аварии у него на борту было 105 различных химических веществ. Вследстие крайней опасности для состояния моря, экспертами ЮНЕП был разработан план постепенной разгрузки судна, которая затем продолжалась 8 месяцев.
Для борьбы с загрязнением моря или его части необходимо действовать на основе долгосрочной комплексной программы действий. Основная концепция стратегии контроля загрязнения заключается в том, чтобы сбросы не превышали естественную поглотительную способность защищаемой части моря. Устанавливаются желаемые цели состояния морской (и береговой) среды и, соответственно, допустимые уровни сбросов. Простейший и уже не эффективный способ управления качеством морской воды – сброс загрязнений в море в надежде на его самоочищаю-щую способность. Иногда строятся глубоководные сбросы, отнесенные весьма далеко от берега. Однако, как и в случае с водами суши и атмосферным воздухом, разбавление – неэффективное средство борьбы с загрязнением прибрежных зон морей.
Для точечных источников основной путь – перестройка технологии производства таким образом, чтобы сократить объем и суммарную токсичность сбросов. Проблема может решаться и менее эффективным способом, посредством очистных сооружений, устанавливаемых в заключение технологического процесса, то есть «на конце трубы».
Управление рассеянным загрязнением значительно сложнее. Оно требует понимания путей распространения поллютантов и соответствующего управления территориями и акваториями прибрежной зоны.
Значительными загрязнителями морей выступают реки, что расширяет поле деятельности по регулированию состояния морей целиком на речные бассейны.
Приблизительная, с округлением до 10 %, оценка доли вклада основных источников загрязнения Мирового океана и его компонентов следующая: сток загрязнений с суши (как по рекам, так и в виде рассеянного стока) – 40 %, выпадения из атмосферы – менее 40 % и источники на море (судоходство, добыча нефти и др.) – более 20 %. В соответствии с источниками загрязнения должна разрабатываться и стратегия управления им, его контроля, включая конкретную стратегию по каждому точечному источнику. Терригенное происхождение основной массы загрязнений указывает на приоритетность действий на суше, так же как и на необходимость интегрированного подхода к управлению прибрежными зонами.
Принципиальное отличие морского загрязнения от речного в том, что первое из двух может перемещаться в различных направлениях в пределах моря. Это объективно побуждает страны, расположенные у одного и того же моря, к международному сотрудничеству для сохранения и улучшения состояния моря. Типичная философия незаинтересованности в последствиях своей деятельности у стран, расположенных выше по течению реки, в применении к морской ситуации не действует.
В настоящее время существуют международные соглашения по отдельным морям, регулирующие совместные действия по борьбе с загрязнением, предотвращению и ликвидации экологических катастроф, по организации совместных наблюдений за качеством воды, по охраняемым акваториям и территориям и другим разнообразным вопросам, требующим совместных согласованных действий. К ним, в частности, относятся соглашения по Балтийскому, Средиземному, Северному, Карибскому, Черному и другим морям и морским акваториям.
Помимо региональных, существуют и другие международные соглашения, регулирующие различные геоэкологические проблемы морей и океанов. Соглашение по морскому праву (Law of the Sea) рассматривает многие вопросы. В том числе для прибрежных стран устанавливается Исключительная экономическая зона (Exclusive Economic Zone, EEZ) шириной 200 миль от берега, в которой за страной – хозяйкой побережья остается право на исключительное использование и контроль морских ресурсов. Имеется также Лондонская конвенция по предотвращению загрязнения моря с судов и конкретные протоколы к ней. Существует ряд конвенций по охране морских млекопитающих и многие другие международные соглашения, касающиеся управления состоянием морей и океанов.
Использование небиологических морских ресурсов. Запасы нефти на дне морей составляют около половины ее запасов на земном шаре. К началу 1990-х гг. площадь, перспективная на нефть и газ на континентальном шельфе, в пределах и вблизи прибрежной зоны была равна 13 млн км3, а число обнаруженных там месторождений превышало 700. Уже к 1985 г. на шельфе мира было пробурено свыше 200 тыс. поисково-разведочных скважин. Нефть добывают ныне на всех континентальных шельфах мира. Ожидается, что доля мировой добычи на шельфе возрастет за 1990 гг. от 8 до 40 %. Загрязнение воды при этом практически неизбежно. Вопрос в том, насколько оно локально, то есть как оно влияет на состояние морей. В Северном море платформы, с которых происходит бурение и добыча нефти и газа, вместе с окружающей акваторией радиусом 3 км занимают 0,1 % площади моря.
Другая проблема – удаление нефтяных платформ с отработанных участков таких акваторий, как Северное море или Мексиканский залив. Они исчисляются сотнями и препятствуют судоходству и рыболовству.
Во многих местах на мелководьях производится добыча песка и гравия для строительства. Добывают также металл из морских россыпей и железо-марганцевые конкреции. Эта деятельность отрицательно влияет на состояние дна, в том числе на бентос, увеличивает мутность воды и препятствует рыболовству.
Особый вопрос – использование энергии океана. Запасы энергии в нем огромны, но ее концентрация невелика, и потому пока не удается разработать эффективные технологии извлечения энергии. Проводились крупные эксперименты по использованию энергии приливов (Франция, СССР). Имеются проекты использования энергии волн, морских течений, разности температур поверхностной и глубинной воды, но, по-видимому, они не вышли за пределы скромных экспериментов и проработок на бумаге.
Использование морских биологических ресурсов. Рыба – один из основных источников питания человека, на ее долю приходится 20 % потребляемых белков. В некоторых странах потребление рыбы весьма значительно: в Японии – 69 кг/чел. в год, в Южной Корее – 51 кг, на Филиппинах – 34 кг. В течение последних десятилетий мировые уловы рыбы заметно выросли, от 22 млн т в 1950 г. до максимума в 1989 г., равного 100 млн т. Рост уловов в мире привел к увеличению потребления рыбы на душу среднестатистического жителя Земли от 9 кг в 1950 г. до 19 кг в 1989 г. При этом рост уловов был неуклонным, за исключением нескольких лет в конце 1960-х и начале 1970-х гг., когда чрезмерный лов сардины у берегов Перу подорвал запасы этого стада настолько, что последствия сказались на величине общемирового улова, а стадо не восстановилось до сих пор.
Похожие ситуации складываются и с другими видами рыб и на других акваториях. Максимально возможный устойчивый улов какого-либо вида зависит от двух основных факторов: численности стада и ежегодного прироста молоди. Необходимо, чтобы значительное число особей в стаде могло созреть и дать потомство, прежде чем эти, уже взрослые рыбы будут выловлены.
В Северном море ежегодно вылавливается 60 % стада трески различного возраста. Треска способна к размножению, начиная с возраста четырех лет, и может жить в течение многих лет. Однако в Северном море только 4 % особей трески в возрасте одного года доживают до четырех лет. Уловы трески росли в 1960-е гг. и достигли максимума в 300 тыс. т в 1972 г. По-видимому, максимально возможный устойчивый улов был около 200 тыс. т. Этот уровень уловов удерживался до 1980 г., а затем начал снижаться, составляя в настоящее время менее 100 тыс. т. Очевидно, что даже незначительное превышение фактического улова над максимально возможным устойчивым уловом приводит к катастрофическому ухудшению состояния рыбного стада. Поэтому уловы во всех подобных случаях должны быть сокращены до уровня заметно меньшего, чем максимально возможный устойчивый улов, чтобы избежать непоправимой ошибки.
В 1990–1993 гг. мировой улов был меньше, чем 100 млн. т. Расчеты ихтиологов еще за 10–15 лет до пика улова показывали, что годовой прирост рыбной биомассы составляет около 100 млн т. Это максимально возможная величина прироста возобновимых ресурсов рыбы за год, то есть это предел устойчивого рыболовства, превышение которого приведет к катастрофическим последствиям. Во всех 17 главных районах морского рыболовства (или, что то же, в крупных морских экосистемах) вылавливается все, что возможно, или менее прежних возможностей. В девяти районах уловы снижаются.
Похоже, что общемировые уловы рыбы достигли своего пика. Хуже, если они превзошли уровень устойчивого годового прироста, потому что в этом случае можно ожидать снижения рыбных ресурсов и дальнейшего падения уловов. Прогнозы указывают на то, что к 2030 г. среднее статистическое потребление рыбы упадет до 11 кг/чел, то есть почти вернется к уровню 1950 г.
Достижение предельного уровня мировых уловов сопровождается резким сокращением запасов ценных промысловых видов на различных акваториях мира, например, лосося на Дальнем Востоке и западном побережье США и Канады, осетровых в Каспийском море, сельди, камбалы, трески, палтуса в Северной Атлантике, сардины в зоне апвеллинга у берегов Перу и др. Деградировавшее стадо уже не восстанавливается до первоначальной численности и продуктивности.
Развивается также разведение рыбы в садках (aquaculture). В 1991 г. оно давало 12,7 млн т. Однако не обходится без проблем: рыбные особи в садках подвержены эпидемиям, выращивание рыбы требует значительных расходов зерна на ее питание, а конкуренция с другими пользователями земли за место у побережья, где можно заниматься разведением рыбы, весьма остра. Поэтому перспективы искусственного рыборазведения вряд ли можно расценивать высоко, и в любом случае они не могут рассматриваться как альтернатива естественному процессу.
По всей видимости, достижение предельно возможного сбора рыбных ресурсов за год – это еще один сигнал, говорящий о достижении пределов экосферы, о тревожном состоянии одного из возобновимых природных ресурсов и одного из важнейших источников продовольствия для растущего населения мира, то есть об еще одном проявлении нарастающего глобального геоэкологического кризиса.
VI.3.3. Геоэкологические проблемы морских побережий и внутренних морей
Морские побережья – это та часть поверхности Земли, где взаимодействуют суша, океан и атмосфера в условиях значительного и все увеличивающегося антропогенного давления. Это не только относительно неширокая зона непосредственного взаимодействия трех геосфер, но и более широкая полоса, в пределах которой функционируют специфические прибрежные природно-хозяйственные системы. Под морскими побережьями обычно понимается пространство, условно ограниченное изогипсой 200 м над уровнем моря и изобатой 200 м ниже уровня моря. Прибрежные природно-хозяйственные системы – очень важный компонент экосферы, влияющий как на мировое хозяйство, так и на глобальные природные процессы.
Зона побережья морей, заключенная между изогипсами – 200 м и +200 м, отличается следующими основными чертами, ясно указывающими на ее весьма важную роль в экосфере:
– в ней проживает около 60 % населения мира;
– она занимает 18 % поверхности Земли;
– в ней расположены две трети городов мира с населением более 1,6 млрд чел.;
– в ней формируется около четверти первичной биологической продукции мира;
– она дает около 90 % мирового улова рыбы.
Прибрежная зона занимает всего лишь 8 % площади Мирового океана и составляет менее 0,5 % его объема. Однако в ней формируется 18–33 % биологической продукции океана. Прибрежная зона поглощает 75–90 % стока наносов рек вместе с загрязняющими их веществами. В ней аккумулируется 90 % современных рыхлых отложений мира. В ней накапливается также 80 % того органического вещества, которое удаляется из активной части глобального цикла углерода. Эти данные указывают на важнейшую общемировую роль прибрежной зоны.
В разделе, посвященном изменению климата и его последствиям, уже обсуждались вопросы влияния изменения климата и роста уровня океана на прибрежные системы. Ширина прибрежной полосы, на которую будет влиять рост уровня моря, складывается из:
– зоны прямого затопления вследствие повышения среднего многолетнего уровня моря;
– величины отступания береговой линии вследствие разрушения берега;
– зоны затопления при нагонах и штормах.
Изменение климата означает изменение не только его средних, но и крайних, то есть катастрофических, показателей, включая такие, как рост повторяемости и интенсивности штормов и штормовых нагонов воды. Ожидается, что уровень Мирового океана к 2100 г. поднимется на 20–86 см, а в среднем на 50 см, с соответствующим неблагоприятным воздействием на прибрежные системы. На песчаных пляжах с установившимся профилем равновесия изменение уровня океана на 1 см означает изменение расположения кромки воды приблизительно на 1–1,5 м. Рост уровня на 0,5 м будет означать перемещение кромки воды не менее чем на 50 м. Уже сейчас, вследствие подъема воды в течение текущего столетия, 70 % песчаных берегов мира находятся в состоянии разрушения.
Антропогенные преобразования природно-хозяйственных систем морских побережий относятся к наиболее интенсивным в мире. Численность населения этих территорий и его плотность не только уже высока, но и продолжает увеличиваться. При этом прирост населения в прибрежных зонах больше, чем прирост на внутриконтинентальных территориях вследствие преимущественной миграции людей к побережьям.
Чем ближе к средней границе раздела между водой океана и сушей, тем обычно больше плотность использования земли и, соответственно, выше деградация земель береговой полосы. Конфликтная ситуация на побережьях возникает также вследствие развития туризма, требующего чистой воды и чистого побережья значительной ширины и протяженности.
Мы уже обсуждали в предшествующем разделе вопросы загрязнения вод прибрежной зоны. Около 90 % загрязнений, поступающих с суши, включая бытовые сточные воды, биогены и токсичные вещества, остаются в прибрежных водах. Большая часть плодородных сельскохозяйственных земель располагается в прибрежной зоне, вызывая интенсивное их использование с сопутствующими экологическими проблемами, такими как увеличение стока соединений биогенов и пестицидов.
Следует напомнить, что за последнее столетие антропогенные преобразования прибрежных систем протекают в условиях медленного, но неуклонного роста уровня океана, что дополнительно вызывает значительные хозяйственные проблемы.
Прибрежные экосистемы относятся к богатейшим в мире с точки зрения биологического разнообразия. Они находятся под угрозой существенного нарушения и даже разрушения примерно на половине берегов мира. Оценка риска деградации морских побережий была выполнена в Институте мировых ресурсов в
Вашингтоне. Для анализа были выбраны пять индикаторов: города с населением более 100 тыс. чел.; крупные порты; плотность населения прибрежной зоны; плотность дорог; плотность нефтяных и газовых трубопроводов. Индикаторы были затем объединены в индексы. Результаты оценки представлены в табл. 12.
Таблица 12
Протяженность берегов мира (в %), находящихся под угрозой риска неблагоприятных последствий антропогенной деятельности
В настоящее время основными действующими силами в эволюции прибрежных систем в масштабе от лет до десятилетий являются антропогенные факторы, тогда как более долгосрочные изменения (в масштабе от десятилетий до столетий) вызваны природными факторами, хотя, возможно, и спровоцированными действиями человека (изменения климата и уровня моря).
При анализе очень сложных систем широкое применение получают методы интегрированной оценки, объединяющие знания широкого круга дисциплин с целью глубокой оценки ситуации и разработки соответствующей стратегии. Например, анализ сверхсложной проблемы изменения климата с выработкой рекомендаций по необходимым действиям осуществлялся на основе метода интегрированной оценки. Очень большая сложность структуры прибрежных систем, их взаимосвязей с внешним окружением и значительная степень неопределенности их эволюции также требуют применения методов интегрированной оценки, чтобы на их основе разрабатывать и осуществлять стратегию интегрированного управления устойчивым развитием этих областей. Этот подход применяется также и для интегрированной оценки внутренних морей.
Режим внутренних морей отличается замедленным водообменом с Мировым океаном, а для морей-озер (Каспийского и Аральского) и его полным отсутствием. Особенности внутренних морей зависят от процессов, протекающих на обширных пространствах бассейнов этих водоемов. Значительный приток речных вод во внутренние моря в сочетании с ослабленным водообменом с Мировым океаном вследствие особенностей их морфологии обусловливают пониженную соленость вод внутренних морей, в 2–3 раза меньшую, чем океаническая. Вынос загрязнений с водосборов со стоком рек оказывает серьезнейшее влияние на геоэкологическое состояние внутренних морей. Они испытывают возрастающую антропогенную нагрузку на всю акваторию, в особенности на побережья.
Наличие внутренних морей – отличительная особенность России. Они неразрывно связаны с ее внутриконтинентальными территориями, и их режим в значительной степени есть следствие природных и, во все усиливающейся степени, антропогенных процессов на территориях речных бассейнов. К ним относятся моря европейской части страны, испытывающие наибольшую антропогенную нагрузку, – Балтийское, Черное, Азовское, крупнейшее озеро мира – Каспийское море, а также Белое море.
Россия не располагает морскими побережьями значительной протяженности в густонаселенных районах страны, где все побережья относятся к внутренним морям. Это часть побережья Финского залива и Балтики, и часть Черноморского, Азовского и Каспийского побережий. Ценность их невероятно высока для страны в целом. Тем более необходима разработка стратегии их развития с учетом долгосрочных интересов России. Общероссийской задачей должно стать также интегрированное развитие Тихоокеанских побережий России, в особенности Японского моря. Необходима также разработка стратегии устойчивого использования обширнейшей прибрежной зоны морей Северного Ледовитого океана.
В особенности следует иметь в виду влияние ожидаемого подъема уровня Мирового океана. Для этого события имеются три стратегии хозяйственного поведения (П.А. Каплин).
1. Отступление с побережья, если затраты на защитные сооружения превышают стоимость защищаемого имущества.
2. Защита побережья, а для северных и восточных малонаселенных побережий – защита отдельных городов, в том случае, когда стоимость национального богатства превышает затраты на защиту.
3. Защита уникальных объектов независимо от стоимости затрат на защиту (Санкт-Петербург и др.).
Анализ ожидаемых ситуаций привел к следующим сценариям действий.
а) Балтийское побережье России необходимо защищать,
б) В Приморском крае, Сахалинской, Камчатской, Мурманской и Архангельской областях необходимо защищать города и другие крупные населенные пункты.
в) На малонаселенных побережьях Карелии, Ненецкого, Ямало-Ненецкого и Таймырского автономных округов, а также Якутии, Чукотского и Корякского АО целесообразна стратегия «переноса социально-экономического потенциала» с побережья вглубь суши.
Балтийское море.
Это крупнейший водоем мира с солоноватой водой. Его площадь 370 тыс. км2 и объем 21 тыс. км3. Площадь бассейна Балтики – 1,7 млн км2. Общий речной сток в море составляет около 450 км3.
С запада, через Датские проливы, в Балтику поступает высоко соленая и богатая кислородом вода из Атлантики. Это происходит нерегулярно, в результате сильных западных ветров. За текущее столетие было около 90 вторжений соленой воды, но с 1983 до 1992 гг. не было ни одного. В январе 1993 г. в море поступило 300 км3 воды, половина которой была насыщена кислородом и весьма соленой. Такие вторжения способствуют улучшению состояния моря, в особенности водных масс, занимающих глубоководные впадины. Впадины имеют глубины до 249–259 м и разделены порогами глубиной всего лишь 18–25 м.
Сложный рельеф дна и причудливый контур береговой линии предопределяют разнообразие гидрологических и гидрохимических условий моря от почти пресноводных Ботнического и Финского заливов до высокосоленых проливов в западной части Балтики и от приемлемого состояния воды в центральной части моря у его поверхности до временами заморного состояния (то есть состояния отсутствия кислорода) в некоторых глубоководных впадинах.
В бассейне моря проживает около 120 млн чел., преимущественно в южной и юго-восточной частях бассейна, из них 80 млн чел. живут в прибрежной зоне. Вследствие экономической деятельности как на побережье, так и в бассейне увеличивается загрязнение воды моря. Непосредственными причинами являются сбросы бытовых стоков, промышленных стоков и рассеянного сельскохозяйственного загрязнения. Это приводит к эвтрофикации моря, снижению концентрации кислорода в воде, накоплению токсических веществ в пищевых цепях, снижению рыбных ресурсов и численности водоплавающей птицы и морских животных.
Состояние Балтики есть отражение сложной комбинации факторов, как природных, так и антропогенных.
Единственно правильная стратегия регулирования состояния Балтийского моря заключается в развитии сотрудничества между всеми странами бассейна моря. Первое соглашение о сотрудничестве было принято в 1974 г. в Хельсинки. Была создана Комиссия по защите морской среды Балтийского моря, разрабатывающая и координирующая осуществление совместных программ. Центральной задачей текущей экологической программы является сокращение нагрузки от точечных источников загрязнения. На 1996 г. идентифицированы 132 «горячих точки» особенно значительных источников загрязнения в пределах бассейна, и ведется работа по контролю сбросов из них. Есть основания полагать, что состояние моря может быть сохранено и даже улучшено, но это требует дальнейших согласованных усилий всех стран бассейна.
Черное море.
Площадь Черного моря 420 тыс. км2, его средняя глубина 1300 м, а наибольшая – 2212 м. Соответственно, объем воды моря составляет 547 тыс. км3. Средняя величина речного стока в Черное море – 346 км3 в год, из них Дунай дает 200 км3. Черное море занимает глубокую тектоническую впадину с континентальным шельфом, развитым лишь в северо-западной части моря. Через пролив Босфор происходит обмен вод: более пресная черноморская вода уходит по поверхности в Мраморное и далее в Средиземное море, а у дна пролива в Черное море втекает более соленая и, следовательно, более плотная вода Мраморного моря. Босфор играет роль порога, вызывающего разделение вод Черного моря по вертикали.
Поверхностные воды Черного моря отделены от основной толщи слоем с повышенным градиентом плотности. Вследствие этого воды глубоководной части моря практически лишены возможности обмена с верхними слоями. На большие глубины не поступает кислород, а тот, что был, полностью израсходован на окисление органического вещества. Под действием силы тяжести на дно осаждается органическое вещество, продуцируемое в верхнем аэробном слое. В бескислородной среде под действием бактерий происходит разложение органики с образованием сероводорода. В результате около 90 % массы моря занимает зона без кислорода, а из жизненных форм в ней развиты анаэробные бактерии. Средняя глубина верхней границы сероводородной зоны составляет 120–130 м с колебаниями от 60 до 210 м. Это важнейшая геоэкологическая граница Черного моря.
В научной и популярной печати появлялись предположения о возможности выхода значительых масс сероводорода на поверхность моря и в атмосферу. Такое событие действительно грозило бы серьезными экологическим неприятностям и даже катастрофой. Однако исследования показали, что со стороны основной сероводородной зоны опасность Черному морю не грозит. Природные процессы в нем находятся в определенном динамическом равновесии. Препятствием для подъема верхней границы сероводородной зоны является слой повышенного градиента плотности. Для его разрушения необходимо, чтобы соленость поверхностного слоя моря возросла на 2–3 %, что в настоящее время маловероятно.
Воды Дуная – важнейший источник эвтрофирования и загрязнения Черного моря. Огромное количество и широкий спектр промышленных, сельскохозяйственных и бытовых загрязняющих веществ, в том числе биогенов, органики, нефтепродуктов, солей тяжелых металлов, пестицидов и других загрязняющих веществ, приходящих со стоком или абсорбируемых на взвешенных наносах, осаждается в устье Дуная и на всем шельфе. Там же весьма высоко и бактериальное загрязнение.
Вследствие превышения скорости потребления кислорода над скоростью его поступления в водную толщу на шельфе северо-западной части моря возникают анаэробные очаги сероводородного заражения на глубинах от 8-10 до 35–38 м. Они не связаны с основной сероводородной зоной открытой части моря. Во время сгонных ветров зараженные сероводородом воды направляются к берегу и, достигнув участков с глубинами менее 3 м, выходят на поверхность, что ведет к массовой гибели рыбы. Именно загрязнение вод Черного моря, а не их сероводородное заражение представляет наибольшую опасность для геоэкологического состояния моря.
Азовское море.
Это мелководное море со средней глубиной 8 м и наибольшей 14 м. Площадь моря 38 тыс. км2. Его объем, равный 300 км3, соответствует речному стоку в море всего лишь за 8 лет. Этот показатель столь быстрого водообмена указывает на чрезвычайно значительную роль водосбора в геоэкологическом состоянии моря. При малой антропогенной нагрузке это было море с наивысшей биологической продуктивностью вследствие значительного выноса биогенов с водосбора, и поэтому интенсивного синтеза в море первичного органического вещества. Однако к 1990 гг. в бассейне Азовского моря производилось 17 % промышленной и 22 % сельскохозяйственной продукции бывшего СССР, с соответствующим влиянием на водоем. Были сооружены водохранилища на основных реках, Дону и Кубани. Антропогенная нагрузка на море оказалось весьма высокой, что привело к его значительной трансформации.
В недавнем прошлом Азовское море по уловам рыбы на единицу площади занимало первое место в мире среди морских водоемов. Его высокая рыбопродуктивность определялась масштабами воспроизводства рыбных запасов, обилием нерестилищ (на 10 км2 акватории было 1,3 км2 нерестилищ), низкой соленостью (10,5%о), большим притоком чистой пресной воды (41–59 км2 в год), высокой трофностью мелководий.
По мере развития экономической деятельности в бассейне моря увеличились безвозвратные заборы воды, премущественно на орошение. В Азовское море стало поступать большее количество черноморской воды. Это привело к увеличению солености, что для Азова вызывает особенно быстрые и глубокие деформации биотических и абиотических компонентов экосистемы моря.
В море с речным стоком начали приходить в больших количествах соли тяжелых металлов, остатки пестицидов, органические вещества, нефтепродукты и др. С другой стороны, приток биогенов сократился вследстие перехвата этих элементов, особенно фосфора, водохранилищами. Экологическая система моря оказалась в условиях сильнейшего антропогенного стресса. Биологическая продуктивность сократилась почти в два раза. Улов рыбы в 1976–1984 гг. был в 2–3 раза меньше, чем в 1936 г. Добыча проходных рыб сократилась за то же время в 5-15 раз, в том числе осетровых в 4–9 раз.
В целом экосистема Азовского моря деградирует вследствие продолжающегося усиления антропогенной нагрузки. Время стабилизации системы и ее будущие особенности – ключевые и пока не решенные вопросы.
VII. Геоэкологические проблемы использования почвенных и земельных ресурсов
VII.1. Основные функции сферы почв (педосферы)[10]
Совокупность почв мира часто выделяют в особую часть экосферы, называемую педосферой. По определению В. А. Ковды, педосфера – это общемировая биоэнергетическая и биогеохимическая система, способная к саморазвитию и саморегуляции, обеспечивающая существование и воспроизводство живых организмов. Именно эти черты педосферы обусловливают плодородие естественых и антропогенных (сельскохозяйственных, лесохозяйственных) экосистем.
Строго говоря, почвы не образуют сплошную геосферу, поскольку встречаются только на суше. На суше их роль велика, потому что многие естественные глобальные механизмы, регулирующие состояние экосферы, так или иначе, прямо или косвенно, действуют в почвенном покрове. Не менее сильна зависимость состояния почвенного покрова от антропогенных событий и процессов.
Почва – многокомпонентное, но целостное природное образование. Она образуется на земной поверхности там, где проникают друг в друга и взаимодействуют все четыре геосферы (литосфера, гидросфера, атмосфера и биосфера), составляющие экосферу.
Почва – это особое образование, на грани живого и неживого, названное В. И. Вернадским биокосным телом, с переплетающимися, сложнейшими биологическими, химическими и физическими процессами. Эти процессы зависят от природных условий каждого места, то есть они подчиняются определенным географическим законам, что и привело к формированию генетически обусловленных, зональных типов почв, классификация которых была предложена более 100 лет тому назад В.В. Докучаевым. Можно сказать, что почвы несут отпечаток тех условий, как естественных, так и теперь антропогенных, в которых они развиваются. Почва – это сложно функционирующая динамическая система, в которой все три фазы состояния вещества, – твердая, жидкая и газообразная, а также и живое вещество – взаимодействуют друг с другом в результате множества процессов различной природы, скорости и интенсивности. При этом вещества могут преобразовываться из одной фазы в другую. К тому же они отличаются способностью перемещаться вверх и вниз по почвенному профилю.
Почва тесно связана с элементами геосфер в каждом ландшафте, а значит, и с Землей в целом, играя активную роль в глобальных биогеохимических циклах вещества. Происходит обмен между воздухом почвы и атмосферы. Движение воды сквозь почву в процессах инфильтрации, испарения, стока и пр. обусловливают активное участие почвы в глобальном круговороте воды. При этом вода также образует и переносит почвенные растворы, активно участвуя в процессах почвообразования. Верхняя часть литосферы, подверженная процессам выветривания, является источником минеральных компонентов в почве.
Таким образом, почва может рассматриваться как природное тело, как динамическая система и как компонент ландшафта.
Основными функциями почвенного покрова, по В.А. Ковде, являются:
– биоэкологическая (размещение и функционирование живого вещества);
– биоэнергетическая (преобразование солнечной энергии, аккумулированной в гумусе и других органических веществах, в биомассу);
– фиксация азота и образование белков;
– активный агент в глобальных биогеохимических циклах основных химических элементов;
– преобразование подстилающих кристаллических пород в измельченные фракции (выветривание);
– гидрологическая (активный водообмен между геосферами);
– метеорологическая (вклад в формирование состава и режима атмосферы).
Эти функции определяют очень многие взаимосвязи в глобальном механизме экосферы как системы.
Итак, почва – это полифункциональная природная система. Из многочисленных важнейших функций следует выделить наиважнейшие, а именно определяющую роль почвы в производстве первичной биологической продукции как основы ряда возобновимых природных ресурсов и главного источника питания человечества, и роль почвы как тонкой поверхностной оболочки экосферы, через которую осуществляется обмен веществом и энергией во многих звеньях глобальных биогеохимических циклов и регулируется химический состав вод и воздуха. Можно сказать, что роль почвы во многом похожа на роль кожи у животных.
Большая часть проблем геоэкологии так или иначе связана с педосферой. Химические изменения атмосферы и вытекающие отсюда последствия зависят от участия почвы в глобальных биогеохимических циклах вещества. Состояние океанов, окраинных и внутренних морей и в особенности прибрежных зон в сильной степени определяется выносом наносов, растворенных и взвешенных химических веществ со стоком с материков. А в формировании стока всех этих веществ, равно как и собственно жидкого стока, почвенный покров и его состояние играют очень большую роль.
Изменения состояния и продуктивности природных экосистем и, в частности, обезлесение и опустынивание влияют на состояние почвенного покрова, а оно, в силу существования обратных связей, влияет на дальнейшее снижение продуктивности. Наконец, ряд проблем окружающей среды, возникающих в искусственно созданных или очень сильно преобразованных человеком экосистемах, таких как агроэкосистемы, также тесно взаимосвязаны с состоянием почвенного покрова или его воздействием на другие компоненты экосферы.
Что касается потенциального плодородия, то бoльшая часть суши непригодна, малопригодна или неудобна для земледелия из-за следующих ограничений (в %% от общей площади свободной ото льда суши):
Заметим, что почвы могут быть малопригодны сразу по нескольким признакам, и поэтому общая площадь непригодных к использованию почв меньше, чем сумма указанных выше показателей. Согласно одной из оценок, в мире имеется 32,8 км2 пригодных к пахоте почв, или 22 % общей площади суши.
VII.2. Антропогенная деградация почв
Скорости природных процессов, протекающих в почве, и скорости антропогенных процессов, возникающих при использовании почвы, весьма различны. Например, ежегодные темпы водной эрозии пашни в десятки раз превышают естественные темпы восстановления почвы. Строго говоря, с естественно-научной точки зрения почвы – это возобновимый природный ресурс, но практически, вследствие малых скоростей естественных процессов по сравнению с антропогенными, этот ресурс во многих ситуациях может рассматриваться как невозобновимый. Использование почв зачастую приводит к ухудшению их природных свойств, то есть к их деградации. В процессе деградации ухудшаются многие свойства почвы, в том числе уменьшается содержание почвенного гумуса и теряется часть наиболее ценной, тонкодисперсной фракции почвы. Применение удобрений и других агротехнических приемов может временно компенсировать или затушевывать эффект деградации почв.
Деградация почв – явление столь же естественное, сколь и социальное. По определению Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП), деградация почв – антропогенный процесс снижения способности почв обеспечивать существование людей.
Явление деградации почв состоит из множества локальных проблем, складывающихся в общемировую мозаику.
В проблеме деградации почвенного покрова многочисленные и разнообразные локальные вопросы складываются в глобальную проблему. Деградация педосферы – одна из самых серьезных, долгосрочных, общемировых проблем, стоящих перед человечеством, потому что она играет столь важную роль в функционировании экосферы и потому также, что она – один из важнейших факторов в проблеме обеспечения населения мира продовольствием.
Методические трудности оценки деградации почв заключаются в невозможности установить единую точку отсчета во времени, от которой отсчитывалась бы деградация, а также установить единый показатель степени деградации. Деградацию почв можно охарактеризовать как «ползучую», как процесс, постепенно и потому незаметно ухудшающий их состояние (см. Раздел 1.3.).
Глобальная оценка деградации почв (Global Assessment of Soil Degradation – GLASOD), выполненная ЮНЕП (1990 г.), указывает на то, что только малонаселенные районы бореальных лесов и пустынь не затронуты антропогенной деградацией почв. На одной шестой части покрытой растительностью территории Земли отмечается та или иная степень деградации почв, развившаяся за последние 50 лет.
По оценке ЮНЕП, 15 % деградированных сельскохозяйственных земель относятся к категории «сильно деградированных». Это почвы, у которых исходные биотические функции – превращать биогенные вещества в формы, ассимилируемые растениями, – преимущественно разрушены, и они уже непродуктивны. Эти почвы столь сильно деградировали, что их восстановление или невозможно, или же трудно достижимо в результате технических сложностей и крайне высокой стоимости такой работы. Например, восстановление богарных (неполивных) почв в США обходится в среднем в 4000 американских долларов на гектар. Другая часть деградированных почв (46 %) относится к категории умеренно деградировавших, со значительно сократишейся продуктивностью. Эти две категории составляют примерно четвертую часть пахотных земель мира.
Деградация почв происходит вследствие различных причин антропогенного характера. Водная и ветровая эрозия почв – важнейшие процессы, распространенные на 84 % деградировавших почв. К другим основным процессам деградации можно отнести ухудшение структуры почвы, ее техногенное загрязнение, засоление, заболачивание и подтопление. Площадь и степень деградации почв мира, по данным GLASOD, приведены в табл. 13.
Основные причины деградации почв мира: сведение лесов, главным образом для сельского хозяйства; перевыпас скота; несовершенное и технологически неправильное сельское хозяйство; переэксплуатация почв. Категории эти не имеют четких границ и переходят одна в другую.
Таблица 13
Площадь и степень деградации почв мира
Как и в целом для мира, почвы на территории России значительно деградированы, при этом географическое распределение степени деградации неравномерное.
В России преобладают следующие процессы деградации почв:
1) снижение содержания гумуса (дегумификация); потери гумуса составляют в настоящее время в среднем около 0,6 т/га за год;
2) обесструктуривание, в том числе уплотнение из-за использования тяжелой сельскохозяйственной техники;
3) водная эрозия;
4) ветровая эрозия, или дефляция;
5) техногенное подкисление (выбросами промышленности и от удобрений);
6) загрязнение пестицидами;
7) промышленное загрязнение (вокруг крупных городов и мест горнодобывающей промышленности);
8) деградация вечной мерзлоты;
Читать бесплатно другие книги:
