Л.В. Мисун, И.Н. Мисун, В.М. Грищук
Инженерная экология в АПК
пособие / под ред. проф. Л.В. Мисуна. – Мн.: БГАТУ, 2007. – 302с.

Предыдущая

Оглавление

Следующая

1. Предмет «Инженерная экология в АПК»

1.2. Основные понятия, термины, определения

Рациональное использование природных ресурсов – одна из самых важных проблем, стоящих перед человечеством. Она теснейшим образом связана со всей хозяйственной деятельностью человека, оказывающей глубокое, нередко губительное воздействие на биосферу, ее геохимические, экологические и другие функции поступательного развития, сохранение равновесного природного состояния и т. д.

В связи с этим освещение вопросов инженерной экологии начинаем с определения понятий «природа», «окружающая среда», «природные условия», «природные комплексы», «природные ресурсы», «природные блага», «природопользование» и другие [2].

Природа. В широком смысле природа – это весь материально-энергетический и информационный мир Вселенной. Природа – совокупность естественных условий существования человеческого общества, на которую прямо или косвенно воздействует человечество, с которой оно связано в хозяйственной деятельности.

Взаимодействия человека с природой – проблема вечная и одновременно современная: человечество связано своим происхождением с природным окружением, существованием и будущим. Человек как элемент природы является частью сложной системы «природа – общество». За счет природы человечество удовлетворяет многие свои потребности.

Все элементы природы представляют собой окружающую среду. В понятие «окружающая среда» не входят созданные человеком предметы (здания, автомобили и др.), так как они окружают отдельных людей, а не общество в целом. Однако участки природы, измененные деятельностью человека (города, сельскохозяйственные угодья, водохранилища, лесополосы) входят в окружающую среду, так как создают среду общества.

Окружающая среда (ОС) – совокупность природных тел (атмосферы, гидросферы, литосферы, биосферы) и культурных (техногенных) объектов, предметов социальной и производственной деятельности человека.

Эффекты воздействия объектов агропромышленного производства (АПК) на окружающую среду определяются величинами входных и выходных потоков на всех стадиях жизненного цикла, ибо используемые в процессе человеческой деятельности материалы и энергия не исчезают. Материалы идут в переработку, либо превращаются в отходы и загрязнения. Энергия рассеивается, превращаясь в теплоту, которую невозможно использовать вновь. Люди извлекают из Земли сырье и большинство видов энергии и возвращают ей отходы и теплоту, т. е. существует постоянный поток материалов и энергии от планетарных источников через экономическую подсистему к планетарным стокам, где накапливаются отходы и загрязнения [1].

Входные потоки разделяются на [2]:

—  материальные, связанные с добычей сырья, производством, транспортировкой, использованием, техническим обслуживанием, повторным использованием и утилизацией продукции, могут оказывать различное воздействие на среду (приводить к ускоренному истощению природных ресурсов, отчуждению территорий, снижению плодородия почв, воздействию опасных материалов на здоровье человека, выделению вредных выбросов);

—  потоки энергии, источниками которых являются жидкое топливо, ядерные и гидроэлектростанции, геотермальные источники, ветер, биомасса.

Выходные потоки формируются из продукции, твердых отходов и выбросов в воздух, воду, почву, энергетических выделений.

Для объектов АПК входные и выходные потоки могут быть представлены в виде процессов обмена энергией и веществом между ними и окружающей средой при реализации их жизненных циклов и выражаться соответствующими показателями. Значения этих показателей в свою очередь зависят от значений измерителей групповых (эксплуатационных) свойств передвежных источников (ПИ). В их числе топливная экономичность, токсичность, материала и энергоемкость, моторесурс и др. [3].

В охране окружающей среды различают понятия «природные условия и природная среда» и «природные ресурсы». Природные условия — понятие очень широкое, охватывающее все аспекты природы. О них говорят безотносительно к человеку и его деятельности.

С комплексом многих факторов связана специфика отдельных природных условий, отражающих особенности их развития, и эволюции во времени и пространстве. Так, физико-географические условия среды определяются географическим положением территории над уровнем моря, географической широтой и долготой, ландшафтной зональностью, гидротермическим режимом и др. Геологические условия среды обусловливают особенности геологических процессов разрушения пород, переноса и седиментации материала, поступательной эволюции историко-геологического развития в зависимости от сочетания экзогенных и эндогенных факторов и процессов. Развитие и эволюция растительного и животного мира характеризуют биогенные условия среды биоценозов и экосистем. Геохимические же условия среды представляют сумму факторов, процессов и параметров, от которых зависят физические и химические условии выветривания, минерало- и породообразования, геохимические системы сочетаний в земной коре химических элементов, геохимические типы территории (зоны, провинции и т. д.).

Природная среда представляет собой сложное и разнообразное сочетание и взаимодействие абиотических и биотических систем и компонентов литосферы, атмосферы, гидросферы и биосферы в целом. В ней действуют экзогенные, эндогенные и космические факторы и процессы, приводящие к самым разнообразным физическим, химическим и биологическим реакциям, определяющие развитие рельефа, разрушения пород и минеральные новообразования, геохимические процессы миграции вещества, его рассеяние и концентрацию, развитие органического мира, формирование специфических типов ландшафтов, природных средств и геосистем, характерных для суши и Мирового океана (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Взаимодействие геосфер (геооболочек) между собой [2]

Каждая геосфера представляет собой сложный комплекс материальных систем и компонентов твердой, жидкой и газообразной форм, взаимодействующих между собой и с Космосом. Равновесные состояния их поддерживаются космической и планетарной миграцией и дифференциацией вещества и энергии, переходом из одних состояний в другие. В общей массе Земли атмосфера составляет 0,00009 %, гидросфера 0,024 %, литосфера (земная кора) 0,4 %; мантия 67,2 % [4].

Биосферой или экосферой называют часть географической оболочки, в которой протекают все геохимические процессы и концентрируются живые организмы. Биосфера включает в себя тропосферу с наиболее плотным слоем атмосферы. В состав биосферы входит также верхняя часть литосферы, каменной оболочки Земли с осадочными породами глубиной 3– 4км.

Понятие о биосфере было впервые введено в науку австрийским геологом Э. Зюссом. Более глубоко и детально учение в области биосферы разработано академиком В.И. Вернадским. По его мнению «биосфера – это наружная оболочка Земли, в которой жизнь во всех ее проявлениях (в том числе и ретроспективных) играет основополагающую роль и может выходить за рамки своей географической оболочки». Отождествление биосферы с «живым веществом» в связи с этим, очевидно, значительно суживает представление В.И.Вернадского о биосфере.

В эволюции биосферы очень важным является понятие о метабиосфере (биосфера сюда не входит) – осадочная оболочка Земли, где аккумулированы прямые и косвенные продукты жизнедеятельности «былых биосфер», и понятие ноосфера – будущее состояние биосферы. Представляя ноосферу лишь как «сферу разума», мы суживаем надвещественный и духовный мир, упрощаем понимание ее В.И.Вернадским, который обозначил ее как сферу разума, включающую конкретные материально-энергетические продукты, созданные в результате разумной деятельности человека. Сферу материальной деятельности называют техносферой, сферу материальной и духовной культуры – социосферой.

Функцией биосферы является осуществление устойчивого и непрерывного материально-энергетического взаимодействия между физической оболочкой Земли и прилегающим космическим пространством.

Как известно, функции управления природными процессами принадлежат человеку. Поэтому для понимания всех процессов, происходящих в настоящее время, необходимо выяснить, какие структурные элементы биосферы выполняли эту функцию до человека. Основными функциями живого вещества биосферы являются [5]:

—  энергетическая (поглощение солнечной энергии при фотосинтезе и химической энергии в результате разложения веществ) и их передача по цепям питания;

—  концентрационная (избирательное накопление веществ для построения тела организма и выведение их из него при метаболизме);

—  деструктивная (минерализация органического вещества и вовлечение его в биологический круговорот);

—  средообразующая (преобразование физико-химических параметров среды);

—  транспортная (перенос вещества в вертикальном, против градиента силы тяжести, и в горизонтальном направлениях).

Термин «биосфера» указывает конечную цель глобальной экологии, которая получила «общественный заказ»не только следить за изменениями в биокосных системах, но и разрабатывать рекомендации по управлению этими изменениями. В связи с этим в настоящее время интенсивно развиваются прикладные аспекты экологии.

Гидросфера – это водная оболочка Земли объемом 1800 млн. км³. Она состоит из вод мирового океана (1370 млн. км³) и вод суши (свыше 90 млн. км³). Другие воды находятся в атмосфере в связанном состоянии (в земной коре и живых существах). Пресные воды составляет только 2,8 % массы всех вод Земли и лишь 0,65 % из этого объема находится в жидком состоянии (реки, озера, подземные воды).

В гидросфере Земли осуществляется круговорот воды. Перемещение воды происходит во всех направлениях. Распределение воды в гидросфере, в том числе, в разных агрегатных состояниях представлено в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Распределение водных масс в гидросфере Земли [4]

Площадь водной поверхности 360,8·10⁶ км², средняя глубина мирового океана 3,8 км. Химический состав вод разнообразен.

Подземные воды различно минерализованы, отличаются отсутствием кислорода. Их верхние слои – грунтовые воды – участвуют в круговороте воды. К подземным водам относятся и термальные воды – гейзеры. Поскольку воды Земли минерализованы и постоянно мигрируют, гидросферы участвует в круговороте веществ (микроэлементов) в биосфере.

Пресная вода расходуется на удовлетворение хозяйственно-бытовых нужд населения, промышленностью, сельским хозяйством. Различают возвратное потребление – с возвращением забранной воды в источник (коммунальное хозяйство, промышленность, водохранилища) и безвозвратное водопотребление – с расходом ее на фильтрацию, испарение и т. п. (в основном, в сельском хозяйстве). Хотя запасы речных вод невелики (1200 км³ или 0,0001 % объема всей гидросферы), именно речная вода обеспечивает основной объем потребляемой воды в быту и народном хозяйстве, так как речные воды обладают значительной способностью к возобновлению и самоочищению.

Процесс урбанизации, интенсивное развитие промышленности, сельского хозяйства ведут к непрерывному возрастанию водопотребления (в течение 20-го века оно возросло более чем в 7 раз).

При безвозвратном отводе воды экологические последствия затрагивают не только собственно реку. Пересыхают или уже пересохли болота вдоль множества рек, так как болота в гораздо меньшей степени подпитываются периодическими паводками. Это приводит к исчезновению большого количества водной дичи и многих видов животных и растений, ранее обитавших в этих местах.

Природные комплексы. Окружающая человека природа выступает как система. В ней каждый компонент зависит от остальных. Изменения одного из компонентов вызывают изменения и других. Такие системы называют природными комплексами. Географическая оболочка является самым крупным природным комплексом на нашей планете. В нем взаимодействуют верхняя часть литосферы, вся гидросфера и биосфера, низкие слои атмосферы.

Природные ресурсы (естественные) – это природные объекты и явления, используемые в настоящем, прошлом и будущем для прямого и непрямого потребления, способствующие созданию материальных богатств, воспроизводству трудовых ресурсов. К природным ресурсам относят в настоящее время полезные ископаемые, почву, растительность и животный мир, атмосферный воздух, воду, климат, солнечную и космическую радиацию.

Совокупность природных ресурсов и природных условий жизни общества, используемая в настоящее время или которая может быть использована в обозримом будущем, называют природными благами [4].

Природные ресурсы классифицируют: по их использованию (про-изводственные, здравоохранительные, научные, эстетические и т. д.); по принадлежности к тем или иным компонентам природы (минеральные, земельные, лесные, водные, энергетические и др.).

По характеру воздействия человека природные ресурсы обычно делят на две категории: исчерпаемые и неисчерпаемые.

Исчерпаемые природные ресурсы, в свою очередь, подразделяются на невозобновимые, относительно возобновимые и возобновимые. К невозобновимым природным ресурсам относятся богатства недр (полезные ископаемые), так как после их добычи и использования они не могут стать тем, чем были раньше, а условия на Земле сегодня для их возникновения или восстановления практически отсутствуют. Почва является относительно возобновимым природным ресурсом, так как только при грамотном ее использовании сохраняется плодородие, способность получения высоких урожаев возделываемых культур. К возобновимым природным ресурсам относят растительный и животный мир. Они по мере использования могут восстанавливаться. Так, вместо использованных человеком растений и животных нарождаются новые.

К неисчерпаемым природным ресурсам относят: космические (солнечная радиация, морские приливы и др.), климатические (атмосферный воздух, тепло и влага атмосферы, энергия ветра), водные.

Та часть природных ресурсов, которая реально может быть вовлечена в хозяйственную деятельность при данных технических и социально-экономических возможностях общества при условии сохранения среды жизни человека, называется природно-ресурсным потенциалом [2]. Природно-ресурсный потенциал, экономически оцененный, входит в состав национального богатства. Природно-ресурсный потенциал – важнейшее понятие природопользования.

Природопользование – совокупность всех форм эксплуатации природно-ресурсного потенциала и мер по его сохранению. Отсюда природопользование будет рациональным, если оно не приводит к резкому изменению природно-ресурсного потенциала. Оно будет рациональным, если человек найдет разумное сочетание растущего воздействия на природу с заботой о ней, с охраной и всемерным воспроизводством природных условии и ресурсов.

Понятие охрана природных ресурсов появилось в 30-х годах XX в, когда стала очевидной опасность истощения большинства природных ресурсов, необходимых в первую очередь для производственной деятельности человека.

Охрана природы – это мероприятия по сохранению глобальной системы жизнеобеспечения человечества на условно бесконечный срок.

Биогеоценоз – совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных состояний и компонентов (атмосферы, горной породы, почвы и гидрологических условий, растительности, животного мира, микроорганизмов), имеющая специфику взаимодействия этих компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией между компонентами и природными элементами.

Экосистема – совокупность различных видов растений (продуцентов), животных (консументов) и микроорганизмов (редуцентов), взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой таким образом, что вся эта совокупность может сохраняться неопределенно долгое время.

В каждой экосистеме существуют две группы основных компонентов: организмы (биота) и факторы неживой природы (абиотические).

Экологическая чистота – способность объекта АПК «вписываться» в растительно-энергетические природные циклы и мера воздействия его на окружающую среду (параметры состояния среды).

Экологическое воздействие – последствия любых (преднамеренных или случайных, постепенных или катастрофических) антропогенных изменений природных объектов и факторов, связанных с агропромышленным производством.

Экологическая безопасность объекта АПК – состояние защищенности окружающей природной среды от воздействий объектов агропромышленного комплекса. При этом обеспечивается функционирование природно-технических систем в пределах допустимого изменения параметров окружающей среды.

Параметры состояния окружающей среды – температура, давление, объем газов, жидкостей, концентрации веществ, напряженность электромагнитного поля, радиоактивность и др. Они должны находиться в строгих диапазонах для обеспечения устойчивости экосистем.

Локальная экологическая катастрофа – многократное превышение критических (предельно допустимых) уровней и нагрузок на локальные экосистемы по различным ингредиентам и видам воздействия, в результате которых нарушается их устойчивость.

Материальные и энергетические преобразования, происходящие в экосистемах, обеспечивают поддержание жизни на Земле и заключаются в следующем [6]:

1 экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду солнечной энергии, поступающей на поверхность планеты в избыточном для них количестве;

2 получение ресурсов, избавление от отходов происходит без загрязнения среды в рамках круговорота веществ, прежде всего круговорота соединений углерода, азота, серы, фосфора;

3 реализуется принцип экологической пирамиды: чем больше биомасса популяции, тем ниже должен быть занимаемый ею трофический уровень.

Трофическая (пищевая) цепь – ряд организмов, каждое предыдущее звено которого служит пищей следующему и одновременно является цепью передачи энергии. На первом (нижнем) трофическом уровне расположены продуценты (растения, аккумулирующие солнечную энергию) и редуценты (микроорганизмы, разлагающие органическое вещество). На следующем уровне – консументы (насекомые, растительноядные животные). Далее – первичные хищники, вторичные хищники. Всего в экосистемах имеется 5–7 трофических уровней, так как из-за потерь энергии на поддержание обменных процессов каждому последующему трофическому уровню достается все меньше энергии.

Загрязнение – любое нежелательное для экосистем антропогенное изменение. Виды загрязнений приведены на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Виды загрязнений окружающей среды [7]

Ингредиентное вызвано воздействием совокупности химических веществ, количественно и качественно чуждых естественным биогеоценозам.

Параметрическое связано с изменением качественных параметров ОС (шум, вибрация, теплота, электромагнитное излучение).

Биоценотическое заключается в воздействии на состав и структуру популяций живых организмов.

Ландшафтное представляет собой разрушение местообитания организмов и нарушение регенерационных свойств природных ландшафтов.

Данные об объемах и динамике потребления природных ресурсов, загрязнения окружающей среды показывают, что человечество чрезмерно эксплуатирует источники и стоки планеты. Темпы использования материалов и энергии из планетарных источников и темпы приема отходов планетарными стоками должны согласовываться и не причинять ущерба природным процессам поглощения, регенерации и регулирования, так как любой вид ресурсов (пища, вода, лес, железо, нефть и т. д.) ограничен своими источниками и стоками.

Источники и стоки могут воздействовать друг с другом. Один и тот же элемент природной системы может быть одновременно источником и стоком (участок земли, где выращиваются сельскохозяйственные культуры и выпадают кислотные осадки). Способность природной системы выполнять одну из этих функций зависит от того, с какой интенсивностью она выполняет другую. Существуют устойчивые связи между загрязнением окружающей среды и круговоротом веществ. Основным препятствием нарушения экологического равновесия в окружающей среде является наличие определенного потенциала ее самовосстановления и очищения от загрязнителей.

Антропогенная деятельность человека приводит к потере устойчивости экосистем, их деградации и разрушению. Это проявляется в изменении параметров окружающей среды (концентрации химических веществ, температуры, влажности воздуха, давления и др.) и сокращении биоразнообразия. Оказывается разрушенным и разомкнутым биогеохимический круговорот веществ. Поэтому природные ресурсы перестают воспроизводиться в пределах прежних естественных колебаний.

Экосистемы разрушаются также в результате:

—  возможного потепления климата из-за изменения концентрации отдельных газов (О₃, СО₂) в стратосфере и тропосфере;

—  снижения прозрачности атмосферы за счет ее загрязнения;

—  изменения альбедо земной поверхности в результате воздействия на природные ландшафты (уничтожение растительности, вспашка и орошение земель);

—  атмосферно-гидросферного закисления (рН-эффект, который обусловлен повышением концентрации ионов водорода из-за выбросов в атмосферу оксидов азота и серы).

Последствия этих и других наблюдаемых явлений для здоровья человека недостаточно изучены. Мера этих проявлений неизвестна.

Экологический кризис – нарушение биогеохимического круговорота в результате разрушения и угнетения человеком естественных экосистем и, как следствие, нарушение устойчивости окружающей среды.

Возникает положительная обратная связь – проявление кризиса ослабляет устойчивость многих экосистем, сообществ организмов, что, в свою очередь, усиливает нарушение биогеохимического круговорота и т. д.

Человек в созданной им искусственной среде обитания, которая погружена в естественную среду и очень жестко зависит от нее, всегда будет жить и действовать рискуя вызвать необратимые изменения в окружающей среде.

Обеспечение экологической безопасности – такое ограничение действия детерминированных и случайных факторов, когда допустимые уровни опасности не превышают порога устойчивости биоты.

Признаками выхода за пределы устойчивости являются следующие:

—  сокращение запасов ресурсов;

—  увеличение концентрации загрязнителей;

—  отвлечение капитала, материальных, трудовых ресурсов от производства конечной продукции на эксплуатацию более скудных, отдаленных, более рассеянных ресурсов или на виды деятельности, которые раньше бесплатно делала природа (обработка сточных вод, очистка воздуха, восстановление питательных веществ в почве, сохранение биоразнообразия), или для охраны, поддержания, получения доступа к оставшимся ресурсам;

—  сбои природных механизмов очистки от загрязнений;

—  возрастание числа конфликтов из-за владения источниками ресурсов.

В итоге:

—  население и экономика получают искаженные и запаздывающие сигналы о физических пределах источников и стоков материалов и энергии, а также происходит запаздывание ответов на эти сигналы;

—  пределы системы не только конечны, но и подвержены разрушению при избыточной нагрузке на них.

Одна из распространенных ошибок – попытки общества обойти проблему существования ограничений, подменяя ее слепой верой в технический прогресс и возможности свободного рынка.

Рынок нужен для привлечения внимания к проблеме (истощение ресурсов или рост загрязнения среды), для изыскания средств на ее решение, выбора наилучшего варианта решения и получения положительного результата. Технология служит средством решения проблемы. Рынок и технологии зависимы и образуют контур отрицательной обратной связи, т. е. цепь причинных отношений, которая меняет направление изменений на противоположное, корректирует ситуацию, восстанавливает баланс. При этом истощение преодолено, загрязнение уничтожено. Общество может продолжать рост. Такие адаптивные контуры играют важную роль, но, удалив или отодвинув один предел, общество неизбежно столкнется с одним или с несколькими другими пределами.

Устойчивое развитие – обеспечение условий, когда контуры положительных и отрицательных обратных связей уравновешивают друг друга, а основные запасы планетарной экосистемы (население, капитал, земля, невозобновимые ресурсы, уровень загрязнения) находятся в состоянии динамического равновесия и остаются постоянными.

Общество, достигшее состояния устойчивости (динамического равновесия), отличается тем, что в нем:

—  стабилизируется численность населения;

—  экономическое развитие происходит при стабильном потреблении природных ресурсов (новые предприятия, дороги, здания, технические средства производятся взамен старых, которые разрушаются и поступают во вторичную переработку);

—  поток материальных благ, приходящийся на одного человека, не увеличивается, но становится разнообразнее по составу.

Устойчивое общество очищает окружающую среду от загрязнителей с использованием биотехнологий, овладевает новыми знаниями, повышает эффективность производственных процессов, меняет технологии, совершенствует систему управления, обеспечивает более справедливое распределение и делает жизнь более разнообразной. Принципы обеспечения устойчивого развития, связанные с потреблением ресурсов (энергии и материалов), заключается в следующем [2]:

—  темпы потребления возобновимых ресурсов (почва, вода, древесина, биоресурсы) не должны превышать темпов регенерации. Возобновимые ресурсы способны к восстановлению через размножение или другие природные циклы за сроки, соизмеримые со сроками их потребления;

—  темпы потребления невозобновимых ресурсов (ископаемое топливо, высококачественные руды, грунтовые воды) не должны превышать темпов их замены на неисчерпаемые или возобновимые ресурсы (солнечная энергия, ветер, приливы, геотермальные воды, энергия волн, вещества, включенные в естественные биогеохимические циклы круговорота). Например, нефтяное месторождение можно эксплуатировать в стабильном режиме, если часть доходов от него систематически вкладывается в производство устройств преобразования солнечной, ветровой, приливной, геотермальной энергии (неисчерпаемые ресурсы) или посадку деревьев. В результате после исчезновения нефти будет обеспечен эквивалентный поток энергии от неисчерпаемого или возобновимого ресурса;

—  интенсивность выбросов загрязняющих веществ не должна превышать темпов, с которыми эти вещества перерабатываются, поглощаются или теряют вредные для ОС свойства. Например, канализационные стоки можно спускать в реки со скоростью, при которой природные экосистемы в состоянии их переработать.

Устойчивое развитие природных экосистем обеспечивается биотическим потенциалом – размером популяций живых организмов, приспособленностью их к местообитанию, а также диапазоном наследственности, который позволяет адаптироваться к быстрым изменениям свойств ОС.

Специалисты, работающие в агропромышленном комплексе должны стремиться к обеспечению устойчивости развития производства – баланса «спрос-предложение», при повышении качества продукции и сохранении экологически безопасного уровня воздействия на окружающую среду.

Предыдущая

Оглавление

Следующая