Лекции по "Геоэкология"

В предгорьях уклон продольного профиля крупной реки уменьшается до 0,2 – 1,0 м/км, и русло становится разветвленным и извилистым. Характерная черта дна такой долины – множество рукавов, что говорит о преобладании аккумуляции над эрозией.

На подгорных равнинах соотношение между аккумуляцией и глубинной эрозией изменяется в сторону динамического равновесия между ними. Русла рек меандрируют, т.е. начинают сворачиваться в петли и менять русло, их деятельность становится сбалансированной.

2.2. Экосистемы  океанов

Существование в океане различных зон жизни обусловлено закономерным изменением экологических условий. Для населенного организмами дна океанов и морей принято название экосистемы бенталь, а для толщи воды – пелагиаль.

Бенталь подразделяется на три зоны – литораль, батиаль и абиссаль. В литорали, занимающей около 10% площади океана, выделяют три подзоны: супралитораль, или зона заплеска и штормовых выбросов, собственно литораль – экологическая зона дна океана до глубин около 200 м и сублитораль – шельф или материковая отмель до глубины 200 – 500 м.

Батиаль представляет собой экологическая зона дна океана, соответствующая континентальному склону на глубине от 500 до 3000 м. Она занимает около 15% площади дна океана.

Абиссаль самая большая зона морского дна, соответствующая глубинам океанического ложа 3000 – 6000 м, которая занимает более 75% площади дна океана. Условия жизни в абиссали устойчивы, характеризуются отсутствием света, постоянными: температурой (1 – 2 оС), соленостью (35 0/00) и гидростатическим давлением (300 – 600 атм), преобладанием илистых грунтов. Ультраабиссалью называют экосистемы наибольших океанических глубин (6 – 11 км).

Экосистема толщи воды, названная пелагиалью, подразделяется на эпипелагиаль (до 200 м), мезопелагиаль (переходную зону), батипелагиаль (от 500 до 3000 м), абиссопелагиаль (от 3000 до 6000 м) и ультраабиссопелагиаль (свыше 6000 м). По признаку освещенности пелагеаль делится на фотосферу (~200 м), дисфотосферу (200 – 500 м) и афотосферу. В пелагиали вертикальные экологические зоны выражены не четко вследствие перемешивания вод и миграций пелагических организмов.

Постоянно поступающая в океан речная вода содержит различные минеральные соли, а испаряющаяся с поверхности океана вода их практически не содержит. Следовательно, концентрация солей в океане постоянно увеличивается, а часть солей выпадает в осадок.

Баланс между процессами растворения и осаждения различных веществ, в котором принимают активное участие живые организмы, определяет динамику химического состава вод Мирового океана и экологические условия существования в нем организмов.

Морская вода отличается постоянством соотношений между главными ионами, которое сохраняется в различных частях Мирового океана и во всей его толще. Это свидетельствует об устойчивости динамического равновесия между количеством растворенных веществ, попадающих в океан, и их осаждением. На основании этой закономерности на практике рассчитывают среднюю соленость морских вод.

По мнению В.Г. Горшкова (1995), содержание главных биофильных элементов (биогенов) в океане сформировано и поддерживается биотой, поэтому отношения концентраций С/N/Р/О2 в океане совпадают с их отношениями при синтезе органического вещества в живой клетке.

Различный изотопный состав воды связан с существованием двух стабильных изотопов у водорода и трех – у кислорода, что дает 9 изотопных разновидностей воды. Особый интерес представляет тяжелая вода – D2О, содержащая дейтерий. В водах Земли постоянно содержится всего 13 – 20 кг «сверхтяжелой» воды, содержащей радиоактивный изотоп водорода тритий.

Мировой океан выполняет функцию глобального геохимического фильтра. Большинство извержений вулканов происходит на дне океана, поэтому продукты извержений, в том числе и вулканические газы, прежде всего взаимодействуют с веществом гидросферы. При этом одни элементы осаждаются на дне, другие включаются в биогеохимические циклы, третьи покидают океан и попадают в атмосферу, но все они проходят через биогеохимический фильтр Мирового океана.

Реки, впадающие в моря, выносят огромное количество растворенного и взвешенного вещества. Поскольку морская вода по своим физическим и химическим свойствам значительно отличается от речной, дельты таких рек могут рассматриваться как своеобразные геохимические барьеры или ловушки для осаждающихся веществ. В дельтах рек происходит не только механическое перемешивание соленых и пресных вод. Здесь откладывается более 90% тонкодисперсного взвешенного материала, протекают многочисленные химические, физико-химические и микробиологические процессы. Антропогенные воздействия легко нарушают экологическое равновесие, складывающееся в дельтах тысячелетиями.

Различие в составе и свойствах пресных и соленых вод является барьером и для многих живых существ, поэтому большинство пресноводных организмов не могут жить в морской воде, и наоборот. Проходные рыбы, осуществляющие нерестовые миграции из морей в реки или из рек в моря, используют дельты рек для подготовки к предстоящим изменениям среды.

 Океан осуществляет  буферные функции и стабилизирует  концентрации СО2 в атмосфере. Общие запасы неорганического углерода в океане почти в 60 раз превосходят запасы углерода в атмосфере, которые пополняются в зависимости от состояния карбонатной системы океана.

Практически любые реальные изменения концентрации СО2 в атмосфере легко могут быть компенсированы буферной системой океана, и, напротив, даже незначительный сдвиг равновесия в ту или иную сторону в карбонатной системе океана приведет к катастрофическому изменению содержания СО2 в атмосфере.

В стационарном состоянии концентрация растворенного в поверхностных водах океана СО2 находится в физическом равновесии с концентрацией СО2 атмосферного воздуха. В целом, все формы неорганического углерода океана и СО2 атмосферного воздуха представляют единую (углекисло-карбонатную) систему.

Углекисло-карбонатная система выполняет две важнейшие экологические функции:

1) Общая биосферная функция  поддержания постоянства концентрации  СО2 в атмосфере.

2) Собственно буферная  функция, которая стабилизирует  рН морской воды и поддерживает  комфортные условия существования  живых организмов.

К числу важнейших физических факторов, влияющих на углекисло-карбонатную систему, относятся температура, общая соленость и химизм вод, а также поступление СО2 из других геосфер.

Биота океана влияет на состояние углекисло-карбонатной системы двумя путями: а) путем синтеза – разложения органического вещества и б) путем образования карбонатных скелетов, главным образом, планктонных организмов. По мнению В.Г. Горшкова (1995), современная низкая концентрация СО2 в атмосфере поддерживается благодаря наличию своеобразного «биотического насоса», т.е. поток неорганического углерода из глубин океана к поверхности компенсируется синтезом органического вещества у поверхности и его погружением в глубины океана, где оно разлагается, что позволяет поддерживать концентрацию СО2 в атмосфере в три раза меньше, чем она была бы в отсутствие «биотического насоса».

Твердая, жидкая и газообразная вода оказывает огромное влияние на термический режим и энергетические функции биосферы. Гидросфера подобно атмосфере создает защитные экраны (фильтры), предохраняющие живые организмы от воздействия неблагоприятных экологических факторов. До образования азотно-кислородной атмосферы древние организмы могли существовать только под защитой слоя воды не менее 10 м, который поглощал жесткое ультрафиолетовое излучение.

В поле действия силы тяжести Земли и при наличии рельефа вода постоянно течет. Атмосферные осадки, реки, ручьи, океанические течения и движущиеся ледники обладают колоссальной кинетической энергией и способны совершать работу по преобразованию рельефа земной поверхности.

Вода выполняет санитарную функцию, а атмосферные осадки очищают воздух от загрязнений. Почвенные, речные, грунтовые воды, как и воды канализационных сооружений, переносят загрязняющие вещества в конечные водоемы стока. Океан служит основным отстойником, нейтрализует и складирует загрязняющие вещества, произведенные человеком.

Мировой океан является перспективным источником ресурсов. Огромный энергетический потенциал заключен в океанических волнах, приливах, термальных градиентах, морских течениях. Дно океана дает около четверти мировой добычи нефти. Океан обеспечивает 90% мировой добычи брома, 60% магния, 30% поваренной соли, большую часть алмазов. Океан служит одним из важнейших источников пищевых ресурсов для человечества, поставляя 25% белков животного происхождения. Велико его транспортное значение – более 75% мирового грузооборота приходится на океан. Особые экосистемы, организованные сообществами живых организмов – гидробионтов, обнаружены в рифтовых зонах океанов, вблизи гидротермальных источников. Это т.н. оазисы абиссали. В них присутствуют крупные рыбы, крабы, актинии, гигантские мидии и рифтии в виде червеобразные животных длиной до 1,5 м при диаметре 3,5 – 4 см, которые живут в гибких цилиндрических трубках из белка и хитина.

Рифтии – представители недавно открытого рода погонофор. Это симбиотрофные животные, питающиеся за счет «вмонторованных» в них хемоавтотрофных бактерий. Таким же образом функционируют и ломпейские черви – представители полихет, живущие в известковых трубках вблизи гидротерм. Хемоавтотрофные организмы питают и гигантских мидий.

Первичная продукция хемоавтотрофных организмов, на которой основывается экосистема абиссальных оазисов, создается гигантскими бактериями (до 0,11 мм в диаметре), утилизирующими энергию, выделяющуюся при окислении Н2S, NН3, NО2, Fe++, Mn++ (Г.М. Лаппо, 1987).

Таким образом, абиссальные сгущения жизни возникают при наличии потока веществ, содержащих неизрасходованную энергию химических связей. Прекращение гидротермальной деятельности означает смерть биоценоза абиссального оазиса.

2.3. Экосистемы  речных бассейнов

Большинство бассейновых экосистем функционируют в зависимости от интенсивности антропогенной нагрузки, которая обычно включает биотические и почвенные компоненты. В связи с этим широко распространены явления деградации сети малых рек, которые связаны с чрезмерной распашкой земель или излишним выпасом скота.

Распределение продуктов ускоренной денудации водосборных массивов изучалось также в средней полосе европейской России. Результаты оказались почти идентичными. Примерно 1/10 смытого материала формирует твердый сток главных рек и транспортируется ими в конечные водоемы стока. Его основная масса задерживается в пределах верхних звеньев гидрографической сети, где самым активным образом происходит деградация долин малых рек.

Участившиеся случаи деградации сети малых рек – это локальные экологические катастрофы. Каждая выражается в потере плодородия почв, истощении запасов подземных вод, их загрязнении промышленными и сельскохозяйственными отходами, заболачивании и заполнении наносами верховий рек.

Если негативное воздействие хозяйственной деятельности на водосборные части речного бассейна вызывает реакцию в сети главных долин, то это свидетельствует об очень большой нагрузке на бассейновую экосистему в целом. Чаще всего это выражается в увеличении в два и более раз твердого стока главной реки, в резком усилении паводков и снижении меженных расходов, в быстром нарастании дельты и в других явлениях, которые приносят бедствия природе и людям.

Типичная картина развития дна долины крупной реки с резко увеличенным вследствие огромной антропогенной нагрузки на водосборные территории твердым стоком может быть представлена по описаниям процессов, происходящих в нижнем течении р. Брахмапутры.

Самыми известными реками с огромным годовым твердым стоком и часто также высокой мутностью являются: Хуанхэ (58 км3/год, 1600 млн. т, 35,0 г/л), Ганг (1450 млн. т, 3,5 г/л), Брахмапутра (380 км3/год, 850 млн. т, 2,2 г/л), Инд (173 км3/год, 435 млн. т, 2,5 г/л), Янцзы (500 млн. т, 0,5 г/л), Ирравади (300 млн. т, 0,7 г/л), Амазонка (7000 км3/год, 850 млн. т, 0,1 г/л), Конго (1450 км3/год, 300 млн. т, 0,2 г/л) и Миссисипи (300 млн. т, 0,5 г/л). Мутность Амазонки и Конго может считаться близкой к природной норме, а высокий твердый сток связан с их огромными размерами.

Из этих данных видно, что самая мутная река Хуанхэ. Между тем, в соответствии с правилом прогрессивного снижения доли продуктов денудации в реках более высокого порядка, притоки р. Хуанхэ характеризуются еще более высокой мутностью.

Природная структура бассейна р. Хуанхэ сама по себе может считаться взрывоопасной. А сама река заслужила название «горе Китая» за то, что в периоды катастрофических наводнений в ее водах погибли многие миллионы людей. Ни одна другая река мира не может сравниться с Хуанхэ по этому показателю.

Хуанхэ дренирует площадь в 753000 км2, а ее длина 5464 км. Река начинается в Тибетском нагорье, протекает через отроги Куньлуня и Наньшаня, прорезает плато Ордос и Лессовое плато, затем в глубоких ущельях (Саньмынься и др.) прорывается через Шаньсийские горы. Далее, на протяжении последних 700 км, река течет по Северо-Китайской равнине в обвалованном, многорукавном русле, поднятом на 5 – 7 м над прилежащей территорией до впадения в залив Бохайвань. Дельта реки имеет площадь 10000 км2, которая растет со скоростью несколько десятков метров в год.

Дренирование р. Хуанхэ высокого (1200 – 1500 м) Лессового плато, густо заселенного и сильно распаханного, с большим количеством оврагов (3 – 8 км/км2) и крутопадающей эрозионной сетью – главная причина катастрофических наводнений на Северо-Китайской равнине. Из-за подверженности плато катастрофической площадной и овражной эрозии (от 100 до 500 т/га в год) мутность р. Хуанхэ возрастает при пересечении плато на порядок. Она достигает таких масштабов, что при выходе на равнину избыточная аккумуляция в русле составляет 5 – 7 см/год и более. Таким образом, река не может постоянно находиться в одной и той же узкой зоне русловой деятельности в пределах равнины, а должна блуждать по ней.