Хрупкость экосистем

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Контрольная работа

по дисциплине «Экология»

(Учебное пособие «Экология»,

авторы Смирнов Г.В., Карташев А.Г.,

Зиновьев Г.Г., Воскресенский В.В., 2003г.)

Выполнил:

2004г

Задание к контрольной работе.

Вариант № 8.

1. Какова связь между потоком энергии и потоком элементов питания в каждой экосистеме? В чем различие между потоком энергии и потоком питательных веществ?

2. Абиотические и биотические факторы среды. Привести примеры.

3. Выполнить практические работы №1 и №3.

4. Жилой комплекс сбрасывает в речку 60 млн. литров сточных вод в день, которые смешиваются с чистой водой в реке в соотношении 1:30. БПК сточных вод составляет 150 мг/л. Какое БПК будет иметь вода в зоне загрязнения? Смогут ли в этой воде обитать пиявки и нимфы равнокрылой стрекозы?

5. Почему высокую численность человечества считают одной из важных причин угрозы экологического кризиса?

6. Назовите источники поступления в атмосферу веществ, разрушающих озоновый слой.

7. Сравнение по показателям растущей и зрелой экосистем.

8. Загрязнение биосферы от АЭС.

1 Какова связь между потоком энергии и потоком элементов питания в каждой экосистеме? В чем различие между потоком энергии и потоком питательных веществ?

В каждой экосистеме формируются определенные уровни, которые характеризуются различной интенсивностью протекания потоков веществ и энергии. Зеленые растения образуют первый трофический уровень, фитофаги - второй, зоофаги - третий. При передаче энергии с одного трофического уровня на следующий, происходит ее потеря, поэтому цепь питания не может быть длинной, скорее всего она состоит из 4 - 6 звеньев.

В любой цепи питания не вся пища расходуется на рост особи, т.е. на накопление биомассы. Часть ее используется на удовлетворение энергетических затрат организма: на дыхание, движение, размножение, поддержание температуры тела. При этом биомасса одного звена не может быть переработана последующим звеном полностью. В противном случае исчезли бы ресурсы для развития живой материи. Обычно чем больше масса начального звена, тем больше она и в последующих звеньях, однако в каждом последующем звене пищевой цепи происходит уменьшение биомассы по отношению к предыдущему. То же самое происходит с численностью особей и запасом энергии.

Графическим отображением функциональной организованности экосистемы являются экологические пирамиды биомасс, численности особей и энергий. Пирамида численности особей показывает количество отдельных организмов по трофическим цепям, причем численность особей при движении от продуцентов к консументам различного порядка значительно уменьшается. Пирамида биомасс показывает соотношение различных организмов по пищевым цепям в данной экосистеме, причем параметры продуцентов, как правило, выше, чем консументов различного порядка (отсюда и форма пирамиды). Пирамида энергий дает величины потоков энергии через последовательные трофические уровни.

Пирамиды отражают две фундаментальные характеристики любой экосистемы: высота пирамиды пропорциональна числу содержащихся в биоценозе трофических уровней (длине пищевой цепи), а форма, точнее, наклон сторон, выражает эффективность превращения энергии при переходе с одного трофического уровня на другой.

Из трех типов экологических пирамид пирамида энергий дает наиболее полное представление о функциональной организованности сообщества, потому что количество и масса организмов зависят не от количества фиксированной энергии в данный момент на предыдущем уровне, а от скорости продуцирования пищи. Пирамида энергий отражает картину скоростей прохождения массы пищи через пищевую цепь.

К примеру, солнечная энергия, полученная растением, лишь частично используется в процессе фотосинтеза углеводов. Фиксированная в углеводах энергия представляет собой валовую продукцию биогеоценоза. Углеводы идут на построение протоплазмы (содержимого живой клетки и многих неклеточных образований) и рост растений, причем часть их энергии, затрачивается на дыхание.

Определенный объем созданных продуцентами веществ служит кормом фитофагов, остальные вещества в конце концов отмирают и перерабатываются редуцентами. Корм, ассимилированный фитофагами, лишь частично используется для образования их биомассы. В основном он растрачивается на обеспечение энергией процессов дыхания и в некоторой степени выводится из организма в виде выделений (экскретов) и экскрементов.

Консументы второго порядка (хищники) не истребляют всю биомассу своих жертв, но из того количества ее, которое они уничтожают, лишь часть используется на создание биомассы их собственного трофического уровня. Остальная же часть в основном затрачивается на энергию дыхания, а также выделяется с экскретами и экскрементами.

Анализ этой простой схемы цепи питания, таким образом, показывает, что поток энергии, который выражается количеством ассимилированного по цепи питания вещества, на каждом трофическом уровне уменьшается, т.е. сквозной поток энергии постепенно гасится.

С одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий ее уровень, в среднем около 10 % поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии.

Правило пирамиды универсально и объективно отражает круговорот веществ и поток энергии в биосфере. В масштабе всей биосферы это правило никогда не нарушается (некоторые отклонения наблюдаются лишь на незначительных участках, например, при вспышках массового размножения вредителей, когда полностью уничтожается растительность и на какой-то ограниченной территории временно разрушается цепь питания, — в этом случае в движение приходит все сообщество животных и растений, связанных между собой пищевыми отношениями).

2 Абиотические и биотические факторы среды

По природе источников и характеру действия факторы среды разделяют на абиотические и биотические.

Абиотические факторы — факторы неорганической (неживой) природы. Это свет, температура, влажность, давление и другие климатические и геофизические факторы; природа самой среды — воздушной, водной, почвенной; химический состав среды, концентрации веществ в ней. К абиотическим факторам относят также физические поля (гравитационное, магнитное, электромагнитное), ионизирующую и проникающую радиацию, движение сред (акустические колебания, волны, ветер, течения, приливы), суточные и сезонные изменения в природе. Многие абиотические факторы могут быть охарактеризованы количественно и поддаются объективному измерению.

Биотические факторы — это прямые или опосредованные воздействия других организмов, населяющих среду обитания данного организма. Все биотические факторы обусловлены внутривидовыми (внутрипопуляционными) и межвидовыми (межпопуляционными) взаимодействиями. Внутривидовые факторы — это контакты между членами семьи, группы, стада, популяции одного вида — отношения полов, размножение, уход за потомством, взаимопомощь и защита или, наоборот, возникновение внутривидовой конкуренции, отношений доминирования и подчинения, иерархии в стаде или в популяции. Межвидовые факторы — контакты между особями и популяциями разных видов, разнообразные пищевые связи, поедание одних организмов другими, отношения симбиоза и «сотрудничества» или хищника и жертвы, бациллоносительство и вирулентность, межвидовая конкуренция, паразитизм и т.п. Взаимоотношения между организмами сложнее абиотических воздействий. Большинство из них не имеет скалярных значений. Поэтому они труднее поддаются прямому измерению. Только для некоторых биотических факторов, относящихся к пищевым связям и численности популяций, возможны количественные оценки на основании экспериментов.

3 Практические работы

3.1 Расчет уровня загрязнения атмосферного воздуха точечными источниками выбросов

Предприятие: «КАЛИБР».

1) Характеристики предприятия:

Таблица 3.1.1

2) Определение максимальной концентрации вредных веществ в атмосфере:

из описания работы следует, что А=200, F=1, Г=1.

∆Т=115-24,7=90,3 ⁰С;

V₁=0,785∙1,6²∙7=14,067 м³/с;

r=1000∙7²∙1,6∙21^-2∙90,3^-1=1,969; r<100;

q=0,65∙(14,067∙90,3/21)^1/3=2,551; q>2; n=1;

m=(0,67+0,1∙1,969^1/2+0,34∙1,969^1/3)^-1=0,809;

C_max=200∙M∙1∙0,809∙1∙1∙21^-2∙(14,067∙90,3)^-1/3=0,034∙M;

C_max(ацетон)=0,034∙2,2=0,0748 мг/м³;

C_max(диоксид серы)=0,034∙1,6=0,0544 мг/м³;

C_max(зола)=0,034∙4,1=0,1394 мг/м³;

C_max(фенол)=0,034∙1,0=0,034 мг/м³.

3) Определение расстояния от источника выбросов, на котором достигается максимальная концентрация загрязняющего вещества:

так как r<100; q>2, то

k=7∙2,551^1/2∙(1+0,28∙1,969^1/3)=15,104;

x_max=0,25∙(5-1)∙15,104∙21=317,183 м; x_max≈317,2 м.

4) Определение метеорологических условий, при которых может быть достигнута максимальная концентрация загрязняющего вещества в воздухе:

так как r<100; q>2, то

U_max=2,551∙(1+0,12∙1,969^1/2)=2,9805 м/c; U_max≈3 м/c.

5) Определение концентрации загрязняющего вещества в атмосфере на заданном расстоянии 500 м от источника выбросов:

α=500/317,183=1,576; 1<α<8;

S₁=1,13∙(0,13∙1,576²+1)^-1=0,854;

C₅₀₀(ацетон)=0,854∙0,0748=0,06 мг/м³;

C₅₀₀(диоксид серы)=0,854∙0,0544=0,05 мг/м³;

C₅₀₀(зола)=0,854∙0,1394=0,1 мг/м³;

C₅₀₀(фенол)=0,854∙0,034=0,029 мг/м³.

Определим отношение концентрации веществ к их ПДК_с.с.:

ацетон: С₅₀₀/ПДК_с.с.= 0,06/0,35=0,2;

диоксид серы С₅₀₀/ПДК_с.с.= 0,05/0,05=1;

зола С₅₀₀/ПДК_с.с.= 0,1/0,5=0,2;

фенол С₅₀₀/ПДК_с.с.= 0,029/0,003=9,7.

Полученные при расчетах результаты сведены в таблицу:

Таблица 3.1.2

Выводы:

Анализ полученных результатов показал, что на расстоянии 500 м от источника выбросов уровень загрязнения приземного слоя атмосферы предприятием «КАЛИБР» составляет по ацетону 0,2 ПДК_СС, по диоксиду серы 1 ПДК_СС, по золе 0,2 ПДК_СС, по фенолу 9,7 ПДК_СС.

Для улучшения экологической ситуации на прилегающей территории можно рекомендовать предприятию «КАЛИБР» выполнение технических мероприятий по улучшению работы системы очистки газоаэрозольных выбросов, изменение технологических процессов с целью уменьшения выбросов диоксида серы и особенно фенола.

3.2 Определение границ санитарно-защитной зоны предприятия

Предприятие: «КАЛИБР».

1) Характеристики предприятия:

Таблица 3.2.1

Определяем расстояние до участка местности, где концентрация загрязняющего вещества равна 1 ПДК_СС:

х (ацетон) =2,77∙317,183∙(1,13∙0,0748/0,35-1)^1/2= ?

x(диоксид серы) =2,77∙317,183∙(1,13∙0,0544/0,05-1)^1/2= 420,847 м;

x(зола) =2,77∙317,183∙(1,13∙0,1394/0,5-1)^1/2= ?

x(фенол) =2,77∙317,183∙(1,13∙0,034/0,003-1)^1/2= 3018,932 м.

Из сравнения численных значений величин х для загрязняющих веществ, выбрасываемых предприятием «КАЛИБР», следует, что наибольшее значение величины х относится к фенолу. Следовательно, окончательные размеры санитарно-защитной зоны предприятия «КАЛИБР» будут определяться выбросами фенола.

Рассчитывается соотношение Р/Р₀ для каждого из восьми румбов розы ветров:

Р_ю/Р_о=9/12,5=0,75;

Р_ю-в/Р_о=10/12,5=0,80;

Р_в/Р_о=8/12,5=0,64;

Р_с-в/Р_о=8/12,5=0,64;

Р_с/Р_о=37/12,5=2,96;

Р_с-з/Р_о=16/12,5=1,28;

Р_з/Р_о=6/12,5=0,48;

Р_ю-з/Р_о=6/12,5=0,48.

Определим расстояния от источника выбросов до границы СЗЗ по диоксиду серы для каждого румба:

L_ю(диоксид серы)= 420,847∙0,75=315,6 м;

L_ю-в(диоксид серы)= 420,847∙0,80=336,7 м;

L_в(диоксид серы)= 420,847∙0,64=269,3 м;

L_с-в(диоксид серы)= 420,847∙0,64=269,3 м;

L_с(диоксид серы)= 420,847∙2,96=1245,7 м;

L_с-з(диоксид серы)= 420,847∙1,28=538,7 м;

L_з(диоксид серы)= 420,847∙0,48=202,0 м;

L_ю-з(диоксид серы)= 420,847∙0,48=202,0 м.

Определим расстояния от источника выбросов до границы СЗЗ по фенолу для каждого румба:

L_ю(фенол)=3018,932∙0,75=2264,2 м;

L_ю-в(фенол)=3018,932∙0,80=2415,1 м;

L_в(фенол)=3018,932∙0,64=1932,1 м;

L_с-в(фенол)=3018,932∙0,64=1932,1 м;

L_с(фенол)=3018,932∙2,96=8936,0 м;

L_с-з(фенол)=3018,932∙1,28=3864,2 м;

L_з(фенол)=3018,932∙0,48=1449,1 м;

L_ю-з(фенол)=3018,932∙0,48=1449,1 м.

Полученные при расчетах результаты сведены в таблицу:

Таблица 3.2.2

Чертеж санитарно-защитной зоны предприятия «КАЛИБР» в масштабе 1:100000

с

с-з

с-в

з в

ю-з

ю-в

ю

Вывод: размеры санитарно-защитной зоны предприятия «КАЛИБР» определяются выбросами фенола, причем наибольшая ее величина 8936 м простирается в северном направлении.

4 Жилой комплекс сбрасывает в речку 60 млн. литров сточных вод в день, которые смешиваются с чистой водой в реке в соотношении 1:30. БПК сточных вод составляет 150 мг/л. Какое БПК будет иметь вода в зоне загрязнения? Смогут ли в этой воде обитать пиявки и нимфы равнокрылой стрекозы?

Так как, загрязненная вода смешивается с чистой при соотношении 1:30, то

БПК_смеси= мг/л.

Пиявки и нимфы равнокрылой стрекозы являются умеренно толерантными видами живых существ, поэтому с большей долей вероятности можно сказать, что они смогут обитать в такой воде.

5 Почему высокую численность человечества считают одной из важных причин угрозы экологического кризиса?

С развитием технического прогресса и демографическим ростом человек становится единственным существом, ответственным за деградацию биосферы.

Воздействие современного индустриального общества на биосферу приводит, по крайней мере, к трем основным типам необратимых изменений в равновесии естественных экосистем:

1) сокращается разнообразие биоценозов в средах, которые эксплуатируются человеком;

2) нарушен круговорот веществ, т.к. отходы человека больше не минерализуются деструкторами. Деятельность микроорганизмов в воде, почве тормозится различными токсичными, загрязняющими веществами. Появились промышленные отходы, которые невозможно разложить биологическим путем и которые накапливаются в биосфере, нарушая жизнедеятельность экосистем;

3) приток энергии за счет все возрастающего потребления угля, нефти и газа приводит к истощению невозобновляемых природных ресурсов.

Одна из основных проблем, связанных с демографическим взрывом, заключается в том, что рост числа жителей планеты в геометрической прогрессии не подкрепляется такими же темпами роста ресурсов питания, т.к. последние могут увеличиваться только по линейному закону из-за лимита площади земель, пригодных для ведения сельского хозяйства.

Проблема перенаселенности обостряется и тем, что для удовлетворения потребностей все возрастающего населения придется существенно увеличить добычу и переработку полезных ископаемых, производство промышленной и сельскохозяйственной продукции. поднять производство и потребление энергии, а это приведет к превышению климатического предела и полному разбалансированию биосферы. Одновременно это потребовало бы удвоения каждые 10 лет потребления пресной воды и органических удобрений. Но даже если бы вдруг рост населения сегодня прекратился, ныне проживающее число людей на планете продолжительное время существовать не сможет, поскольку оно оказывает слишком большое давление на биосферу.

6 Назовите источники поступления в атмосферу веществ, разрушающих озоновый слой.

Основную часть ультрафиолетовых лучей поглощает слой озона, находящийся в стратосфере на высоте 20-25 км. Атмосфера прозрачна только для части ультрафиолетового, инфракрасного излучения, для видимого спектра и некоторых радиоволн.

С антропогенным воздействием на атмосферу связано разрушение озонового слоя, который является защитным экраном от ультрафиолетового излучения. Основной причиной уменьшения количества озона считается применение людьми хлорфторуглеродов (фреонов). Они широко используются в быту и производстве виде аэрозолей, пенообразователей, растворителей; применяются в холодильниках и кондиционерах воздуха в качестве хладоагентов, при производстве пористых пластмасс, которые вначале растворяют в хлорфторуглеродах при повышенном давлении, а затем давление снижают, от чего хлорфторуглероды улетучиваются в атмосферу и пластмассы вспениваются. В электронной промышленности с помощью хлорфторуглеродов производят очистку микросхем.

Существует и немало других источников такого рода загрязнителей: хлорирование и фторирование воды; неполное сгорание пластмасс в процессе их утилизации - при этом образуются полихлорные бифенилы.

Все эти вещества, попадая в атмосферу, разлагаются в стратосфере с выделением атомов хлора, который является катализатором разложения озона до кислорода.

7 Сравнение по показателям растущей и зрелой экосистем

Различие между растущими и зрелыми системами можно представить в виде следующей таблицы.

Таблица 7.1

Необходимо обратить внимание на обратную зависимость между энтропией и информацией, а также на то, что развитие экосистем идет в направлении повышения их устойчивости, достигаемой за счет увеличения разнообразия.

Одно и даже двухвидовые сообщества весьма нестабильны. Нестабильность означает, что могут происходить большие колебания плотности популяций. Это обстоятельство и детерминирует эволюцию экосистемы к зрелому состоянию. На зрелой стадии увеличивается регуляция по типу обратной связи, которая направлена на поддержание стабильности системы.

Высокая продуктивность дает низкую надежность — это еще одна формулировка основного закона экологии, из которой вытекает следующее правило: «оптимальная эффективность всегда меньше максимальной». Разнообразие в соответствии с основным законом экологии непосредственно связано с устойчивостью

Направленность эволюции сообщества ведет к усилению симбиоза, сохранению биогенных веществ, повышению стабильности и содержания информации. Общая стратегия направлена на достижение такой обширной и разнообразной органической структуры, какая только возможна в границах, установленных доступным притоком энергии и преобладающими физическими условиями существования (почва, вода, климат и т. п.),

В природе существуют как бы естественные силы стратификации, которые ведут к усложнению экосистем и к созданию все большего разнообразия. Действия вопреки этим силам отбрасывают экосистемы назад.

8 Загрязнение биосферы от АЭС

Радиоактивное загрязнение природных сред обусловлено следующими источниками:

1) продуктами испытаний ядерного оружия, проводившихся в атмосфере и под землей;

2) плановыми и аварийными выбросами радиоактивных веществ в окружающую среду от предприятий атомной промышленности, АЭС;

3) выбросами в атмосферу и сбросами в водные системы радиоактивных веществ с действующих АЭС в процессе их нормальной эксплуатации;

4) принесенной радиоактивностью (твердые радиоактивные отходы и радиоактивные источники).

В результате работы АЭС образуются радиоактивные отходы, которые частично поступают в окружающую среду, т.к. системы очистки не дают 100 % эффекта.

К газообразным продуктам относятся радиоактивные благородные газы – продукты деления, продукты нейтронной активации, содержащиеся в воздухе и в охлаждающей реактор воде или газе.

К жидким отходам относятся пульпы ионообменных смол, фильтроматериалы, кубовые остатки выпарных аппаратов, в которые поступает загрязненная радионуклидами вода при эксплуатации или ремонте реактора.

К твердым отходам АЭС относятся: отходы, возникающие после отверждения жидких концентрированных отходов; детали оборудования реактора, снятые с эксплуатации; использованный инструмент и приборы; израсходованные материалы.

Кроме этого значительный вклад в загрязнение биосферы вносят заводы по переработке облученного ядерного топлива, в выбросах и сбросах которых присутствуют долгоживущие радионуклиды и изотопы трансурановых элементов.

Радиоактивные отходы, как правило, смешиваются с большим количеством химических отходов, которые сами по себе представляют большую опасность для окружающей среды.

Таким образом, одной из основных проблем является захоронение высокорадиоактивных отходов, т.к. для их дезактивации необходимо время, равное 20 периодам полураспада. К тому же достаточно надежных способов захоронения пока еще не разработано.