Экология нефте-газовой промышленности

1. Принципы устойчивости  экосистем - экологическое  равновесие, последствия  его нарушения. 

     Экологическая система (экосистема) нашей планеты или ее отдельного региона — это совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной связи друг с другом. Любая экосистема, ее отдельный элемент или популяция могут существовать только в определенном диапазоне температур, давления и состава воздушной среды. Экосистема и ее отдельные элементы обладают определенной устойчивостью к отрицательным воздействиям на них, способностью самовосстановления после такого воздействия. Устойчивость экосистемы зависит от масштаба и скорости отрицательного воздействия.

     Термин  «экосистема» применим к взаимодействию биоценозов и биотопов различного размера. При этом различают: 

·  микроэкосистемы, подобные стволу погибшего дерева; 

·  мезоэкосистемы, например лес или пруд; 

·  макроэкосистемы, такие, как океан; 

·  мегаэкосистемы, биосфера, объединяющая все существующие экосистемы. 

     Экосистемы  классифицируются и по другим признакам. Например, выделяют естественные и  искусственные экосистемы. Широко используется классификация по биомам. Этот термин обозначает крупную региональную экосистему, характеризующуюся каким-либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта. Различают наземные биомы (тундра, бореальные хвойные леса, листопадный лес  умеренной зоны, степь, саванна, пустыня, вечнозеленый тропический дождевой лес), пресноводные экосистемы (стоячие, текучие, заболоченные), морские экосистемы (пелагические, прибрежные). 

     Переход от одной экосистемы к другой может  быть более или менее резким. Однако во всех случаях существует переходная зона, которая может захватывать  территорию от нескольких метров (береговая  зона озера) до десятков километров (переходная зона между лесами и степями). Переходную зону называют экотоном. К нему относятся, например, болотистые пространства, располагающиеся  между прудом и окружающими его  наземными формациями; заросли кустарника, отделяющие лес от поля. Фауна экотонов и в видовом отношении, и численно богаче соседних биоценозов, так как  здесь происходит смешение видов. В  этом состоит проявление так называемого  краевого эффекта. 

     Сточки  зрения трофической структуры (от греч. trophe – питание) экосистему можно  разделить на два яруса: 1) верхний  автотрофный (самостоятельно питающийся) ярус, или «зеленый пояс», включающий растения, содержащие хлорофилл, где  преобладают фиксация энергии света, использование простых неорганических соединений и накопление сложных  органических соединений и 2) нижний гетеротрофный (питаемый другими) ярус, или «коричневый  пояс» почв и осадков, разлагающихся  веществ, корней и т.д., в котором  преобладают использование, трансформация  и разложение сложных соединений. С биологической точки зрения в составе экосистемы удобно выделять следующие компоненты: 1) неорганические вещества (C, N, CO2, H2O и др.), включающиеся в круговороты; 2) органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые  вещества и т.д.), связывающие биотическую  и абиотическую части; 3) воздушную, водную и субстратную среду, включающую климатический режим и другие физические факторы; 4) продуцентов, автотрофных  организмов, в основном зеленые растения, которые могут производить пищу из простых неорганических веществ; 5) консументов, в основном животных, питающихся растениями и другими  животными; 6) деструкторов, в основном бактерий и грибов, получающих энергию  путем разложения мертвых тканей. В результате деятельности деструкторов высвобождаются неорганические элементы питания, пригодные для продуцентов. 

     Устойчивость экосистем - это способность экосистемы возвращаться в исходное состояние после снятия внешнего воздействия, выведшего ее из равновесия. Под стабильностью экосистемы понимают ее способность сохранять свою структуру и функциональные свойства при воздействии на нее внешних факторов. Иногда понятия устойчивость и стабильность рассматриваются как синонимы, но тогда следует различать два вида устойчивости: резистентная устойчивость (стабильность) - способность оставаться в устойчивом (равновесном) состоянии под нагрузкой, и упругая устойчивость (собственно устойчивость) - способность быстро восстанавливаться при снятии нагрузки. В разных терминах имеются различные смысловые оттенки, которые нужно учитывать. 

     Системы с высокой резистентной устойчивостью способны воспринимать значительные воздействия, не изменяя существенно своей структуры, то есть, практически не выходя за пределы равновесного состояния. Поэтому понятие упругой устойчивости для них не определено (если система не выходила за пределы равновесия, то как можно говорить о возвращении в равновесное состояние после снятия возмущения). Если внешнее воздействие превышает определенные критические значения, то такая система обычно разрушается. В технике подобное качество называется жесткостью. Предельные значения внешних воздействий, которые система способна выдержать без разрушения соответствуют запасу жесткости. Когда говорят о высокой резистентной устойчивости, то имеется в виду именно высокий запас жесткости данной системы. Это несколько отличается от понятия высокой стабильности, так как здесь в первую очередь внимание обращается на неизменность структуры. Тундра, например, обладает высокой стабильностью, но она очень ранима, у нее малый запас жесткости, то есть малая резистентная устойчивость. Экосистему тундры очень легко разрушить. Достаточно проехать вездеходу. Колеи, которые он оставляют за собой, сохраняются десятилетиями. Такие экосистемы по аналогии с техникой можно назвать хрупкими. 

     Системы с малой резистентной устойчивостью для нормального существования должны обладать высокой упругой устойчивостью. Они более чувствительны к внешним возмущениям, под действием которых они как бы “прогибаются”, частично деформируя свою структуру, но после снятия или ослабления внешних воздействий быстро возвращаются в исходное равновесное состояние. При превышении пороговых воздействий такая система теряет устойчивость, то есть все дальше удаляется от состояния равновесия. Диапазон воздействий, которые может выдержать система без разрушения, в технике соответствует запасу упругости. Таким образом, степень упругой устойчивости можно оценить как упругостью, определяющей степень сопротивления внешнему воздействию и скорость возврата в исходное состояние после снятия воздействия, так и запасом упругости. В отличие от упругих систем, пластичные системы после снятия внешнего воздействия не возвращаются в исходное состояние, а приходят к какому-то другому равновесному состоянию. Так согласно точке зрения оппонентов теории моноклимакса, для экосистем характерно не одно, а несколько состояний равновесия (климакса). Таким образом, для пластичных экосистем характерна малая упругая и малая резистентная устойчивость. 

     Резистентная и упругая устойчивости взаимоисключают друг друга, точнее, экосистеме трудно развивать оба вида устойчивости. Например, одни леса состоят из деревьев с толстой корой, обладающих повышенной резистентной устойчивостью к пожарам. Но если такой лес все-таки сгорит, то его восстановление, как правило, крайне проблематично. Напротив, многие леса очень часто горят (низкая резистентная устойчивость), но быстро восстанавливаются (высокая упругая устойчивость). Ориентация экосистем на один из видов устойчивости определяется, как правило, изменчивостью среды: при стабильных условиях экосистемы склонны к более высокой резистентной устойчивости, при изменчивых условиях предпочтение отдается упругой устойчивости. 

     Природа обоих видов устойчивости состоит  в наличии в экосистеме разного  рода обратных связей. В основном это  отрицательные обратные связи, которые  направлены на стабилизацию параметров экосистемы, возвращая их значения к какой-то изначально заданной величине. Однако немаловажную роль играют и положительные обратные связи, усиливающие благоприятные для системы изменения, например, в плане роста и выживаемости организмов. Однако деятельность положительных обратных связей обязательно должна быть ограничена соответствующими отрицательными обратными связями, иначе ничем не контролируемая экспансия жизни может привести экосистему к гибели. 

     Механизмы реализации обратных связей называются механизмами гомеостаза (от греческих  слов homois - подобный, одинаковый и stásis – стояние, неподвижность - это саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды.).

     (Схема  гомеостаза системы по Ю. Одуму) 

     Обычно  они достаточно сложны, так как  их компоненты связаны в единые информационные сети факторами среды, а также  различными физическими и химическими  агентами - “посредниками”, подобно  тому, как нервная или гормональная системы связывают в одно целое  части организма. Примером может  служить сильная реакция организмов в экосистеме на слабые концентрации некоторых веществ. С энергетической точки зрения можно выделить одну закономерность, о которой уже  говорилось ранее: обладатели высококачественной энергии, оставаясь в меньшинстве, управляют большими потоками энергии  более низкого качества. Например, хищники управляют численностью травоядных животных. В то же время  активность хищников и их численность  управляется численностью их жертв  по цепи обратной связи. По этой цепи на более высококачественный энергетический уровень (к хищникам) подается небольшая часть низкокачественной энергии - хищники уничтожают не всех жертв, а лишь небольшой их процент. Причем влияние этой части энергии на управление всей системой существенно усиливается деятельностью хищников. 
 

     Помимо  отрицательной обратной связи устойчивость экосистемы может быть обеспечена избыточностью  компонентов. Например, если в системе  имеется несколько автотрофов, каждый из которых характеризуется своим  температурным диапазоном функционирования, то скорость фотосинтеза сообщества в целом может оставаться неизменной, несмотря на колебания температуры. То же самое можно сказать и про гетеротрофов. Поэтому видовое разнообразие способствует повышению устойчивости экосистем (закон Эшби). При этом как в случае резистентной, так и в случае упругой устойчивости расширяется диапазон пороговых воздействий, которые способны выдержать экосистема без разрушения (запас жесткости и запас упругости). 

     Так, например, для тундры с ее бедным разнообразием характерны такие  проявления низкой упругой устойчивости, как периодические резкие увеличения численности мелких грызунов - леммингов. О малой резистентной устойчивости тундры мы уже говорили. Экосистема тундры очень ранима и очень долго восстанавливается. В то же время тропические леса с их богатым разнообразием способны достаточно быстро залечивать свои раны. Легенды повествуют о целых городах, поглощенных джунглями, население которых не могло справиться с их натиском и вынуждено было уходить в другие районы. 

     Если  разные стадии сукцессии экосистемы считать квазистатическими состояниями, то здесь можно отметить ряд закономерностей. На первых стадиях сукцессии экосистемы способны очень быстро возобновляться. Например, мы можем распахать по весне все поле, но уже к осени оно будет укрыто травами. Это говорит о достаточно высокой упругой устойчивости на начальных стадиях сукцессии, которая по мере движения к климаксу постоянно снижается. То есть на каждой следующей стадии для восстановления исходного состояния требуется гораздо больше времени. Климаксный лес характеризуется очень малой упругой устойчивостью. 

     Для резистентной устойчивости тенденция обратная. На первых стадиях сукцессии резистентная устойчивость остается достаточно невысокой - системы очень чувствительны к внешним воздействиям, откликаясь на них повышенным динамизмом. Например, заросли кустарника или молодой березняк может быть легко поврежден вездеходом (малая резистентная устойчивость), однако вторичная сукцессия достаточно быстро “затянет” повреждение (высокая упругая устойчивость). По мере роста видового разнообразия резистентная устойчивость непрерывно растет. При этом растет одновременно и жесткость системы (стабильность) и запас жесткости (взрослый лес вездеход так просто не одолеет). Однако по мере приближения к климаксу, как уже было показано, экосистема становится более чувствительна к действию некоторых катастрофических факторов среды (бури, пожары и т.п.). То есть на фоне продолжающегося роста стабильности (жесткости), запас жесткости экосистемы при движении ее к климаксу, по-видимому, начинает уменьшаться, что можно объяснить преобладанием в ней старых деревьев. Это говорит о том, что она становится все более хрупкой. 

     Как уже было сказано, для реальных лесов  характерен, как правило, мозаичный  климакс. По-видимому, именно такой  лес имеет наилучший комплекс показателей устойчивости и стабильности. Периодические сильные воздействия  на него в целом лес выдерживает  достаточно жестко, жертвуя лишь наиболее старыми и хрупкими участками, которые, даже если они превращаются после  пожара в абсолютно пустые пространства, в условиях непосредственной близости неповрежденного леса восстанавливаются  сравнительно быстро. 

     Примером  абсолютно нежизнеспособных экосистем  являются агроценозы, создаваемы человеком  из однолетних и двулетних культурных растений, то есть продукты сельскохозяйственной деятельности человека. Многие экологи  даже не считают их экосистемами, хотя есть все основания считать их экосистемами с искусственно поддерживаемыми  начальными стадиями сукцессии. Заброшенные  поля сразу же втягиваются в естественный ход сукцессии. Что касается возделываемых  полей, то они существуют только за счет человека. Свидетельством их нежизнеспособности является крайне малая устойчивость как упругая, так и резистентная, что является следствием очень скудного видового разнообразия как флоры (все сорняки подавляются гербицидами), так и фауны (“вредных” насекомых мы травим пестицидами). Малая упругая устойчивость проявляется, например, в резких вспышках численности конкретных видов вредителей. Подобные вспышки в естественной природе наблюдаются очень редко. Малая резистентная устойчивость проявляется, например, в повышенной чувствительности посевов к природным условиям, таким как град, засуха, повышенное количество осадков и т.д.