Техногенез и устойчивость биосферы
Техногенная трансформация экосистем
Техногенные характеристики современной биосферы. Деятельность человека как бы расширила границы биосферы в глубины земной коры, в высоты стратосферы и в космос. В то же время наметилось снижение биосферной активности и массы живого вещества. Человек создает сложные конгломераты многих подсистем, управляемых им и притом не аккумулирующих энергию и биомассу, а расходующих энергию, биомассу и кислород биосферы.
Возникновение множества подсистем и систем техносферы происходило и происходит в границах биосферы. Это усложнило биосферу. Значительная часть экосистем биосферы оказалась измененными антропогенными агентами. На огромной площади, до 25-30% суши, природные экосистемы полностью замещены техногенными системами. Организованного взаимодействия между техносферой и биосферой человеку создать пока не удалось. Большие города, крупные индустриальные предприятия, животноводческие комплексы не только отчуждают и «сжимают» биосферно активную площадь планеты, но и создают опасность из-за огромного количества индустриальных и бытовых отбросов, поступающих в окружающую среду (табл. 12 ).
Понятие о техногенезе. На протяжении всей истории общества постоянно возрастает активность и динамичность антропогенного фактора: охотники и собиратели существовали около 30 тысячелетий назад, земледельцы и скотоводы - 6-8 тыс. лет, земледельцы, скотоводы и ремесленники цивилизаций древности - 3-5 тыс. лет, начало индустриальной эпохи - 0,5 тыс. лет назад. Если на заре жизни человека аккумулятивное воздействие на природу проявлялось в течение десятков тысяч лет (уничтожение крупных животных), то техника тысячекратно сократила период воздействия (мода на слоновую кость, пушнину, страусовые перья вела к быстрому истреблению животных). В хозяйственный оборот вовлекаются ресурсы, не связанные с пищевыми потребностями: минеральные и лесные. Технический прогресс шел с ускорением благодаря успехам наук, и сам способствовал развитию научных знаний.
Таблица 12
Биогенные и техногенные характеристики биосферы
(Ковда, 1985)
| Живое вещество планеты, т/год | n . 10 14 |
| Биомасса, т/год суши | n . 10 13 |
| лесов | n . 10 12 |
| трав | n . 10 11 |
| сельскохозяйственных растений | ~10 10 |
| людей и сельскохозяйственных животных | ~10 8/9 |
| Годичный сток рек, км 3 | 47 . 10 3 |
| Потребление воды, км 3 | ~3 . 10 3 |
| Твердый сток рек, т/год | |
| в прошлом | ~9 . 10 3 |
| в настоящем | ~24 . 10 9 |
| в будущем | ~40-50 . 10 9 |
| Годичный оборот биофилов, т | ~n . 10 10 |
| Химический сток рек, т/год | ~3 . 10 9 |
| Оборот углерода в биомассе суши, годы | ~300-400 (до 1000) |
| Поступление антропогенной СО 2 ,т/год | ~15-20 . 10 9 |
| Распаханность под сельское хозяйство, га | ~1,5 . 10 9 |
| Пастбища, га | ~3 . 10 9 |
| Годичное производство удобрений (в туках), т | ~5 . 10 8 |
| Пыль индустриальная, т/год | ~0,25 . 10 9 |
| Мусор, отходы, отбросы, т/год | ~20 . 10 9 |
| Выемка рудных пород, т/год | ~5 . 10 9 |
| Индустриальные и городские сбросовые воды, м3/год | до 55 . 10 11 |
| Аэрозоли и газовые выбросы, т/год | до n . 10 9 |
Геологическую деятельность (совокупность геохимических и геофизических процессов) человека А. Е. Ферсман назвал техногенезом. В геохимическом аспекте техногенез включает:
· извлечение химических элементов из среды (литосферы, атмосферы, гидросферы) и их концентрацию;
· перегруппировку химических элементов, изменение химического состава соединений, создание новых химических веществ;
· рассеяние вовлеченных в техногенез элементов в окружающей среде.
Рассеяние часто бывает побочным. Есть и преднамеренное рассеивание: внесение удобрений, мелиорантов, орошение сточными водами, ядохимикаты.
Отрицательное последствие техногенеза заключается в загрязнении экосистем. Процессы техногенеза можно разделить на две группы. Первая унаследована от биосферы, к ней относятся биологический круговорот, круговорот воды, рассеивание элементов при отработке месторождений, распыление веществ и др. Вторая группа находится в резком противоречии с природными условиями. Металлическое состояние Fe, Ni, Cr, V и некоторых других элементов не соответствует физико-химическим условиям земной коры. Человек уменьшает энтропию, тратит много энергии на получение и содержание элементов в свободном состоянии. Изготавливаются соединения, никогда не существовавшие в природе: полимеры, лекарства, краски, сплавы и др. В. И. Вернадский приводит такие цифры: в античную эпоху человечество использовало 19 элементов, в ХVIII веке - 28, в ХIХ - 50, в начале ХХ века - 60. В настоящее время используются все 89 элементов, известных в земной коре, также искусственно получены изотопы.
С 60-х гг. геохимическая деятельность человека не уступает по мощности природным процессам. Человечество извлекает из недр и освобождает при сжигании химические элементы в равном или большем количестве, чем их потребляется растительностью при создании годовой продукции. Добыча из недр Cd превышает фитопотребление более чем в 160 раз, Hg - в 110 раз, Pb- в 35, As, F - в 15, U - в 6, Sn - в 5, Cu - в 4, Мо - в 3 раза. Не меньшее или даже большее количество редких и рассеянных элементов рассеивается при сжигании угля, превышая использование в биологическом круговороте Hg - в 68700 раз, As - в 125, Cd - в 40, Zr - в 10. Обогащаются техногенными элементами преимущественно наземные экосистемы. Для сравнения разных продуктов производства по геохимическому значению применяется коэффициент ноогенной концентрации:
С= C1/N1 + C2/N2 + ...+ Ci/Ni, где
i - количество аномальных элементов; С - содержание в данном продукте, N - содержание в биосфере.
Наиболее высокий коэффициент характерен для каменного угля, при его сжигании в экосистемы поступает избыточное количество 25 элементов, в том числе углерод, тяжелые металлы, уран. Ниже коэффициенты у нефти и газа, но и с ними поступает избыточное количество C, N, S, I, Cd и инертных газов -He, Ar. Велик коэффициент у удобрений (порядка 1000-2000), у фосфорных выше, чем у калийных и азотных. В фосфорных удобрениях много F, Cd, Sr, As, F, Cu, Pb, Hg.
В РФ наибольшему загрязнению подвергаются экосистемы Европейской степной области. В Нечерноземье повышенный фон в Московской области, низкий - в Поволжском и Северо-Западном регионах. Критерии дифференциации экосистем по степени загрязненности в настоящее время весьма субъективны. Исходя из основ учения о биосфере, по-видимому, незагрязненными на настоящий момент следует считать экосистемы, отвечающие следующим критериям (Глазовская, 1988):
· не нарушаются концентрационные, газовые и окислительно-восстановительные (средообразующие) функции живого вещества, регулирующие геохимическое самоочищение системы;
· биохимический состав продукции не нарушается настолько, чтобы вызвать нарушение жизненных функций в пищевых цепях;
· не понижается биопродуктивность системы;
· не нарушается информативность - сохраняется генофонд.
При изменении этих условий происходит техногенная трансформация экосистем, а затем и разрушение.
Биофильность есть отношение содержания элемента в живом веществе к кларку литосферы. Технофильность есть отношение массы ежегодно добываемого человеком элемента к кларку литосферы. Чем больше технофильность элемента и ниже биофильность, тем опаснее для живых организмов загрязнение его соединениями. Наиболее токсичены Hg, Cd, F , затем - Sb, As, Pb, U, затем - Se, Be, Ba, St.
Техногенное загрязнение имеет разные размеры. Глобальное охватывает весь земной шар: повышение содержания СО2 в атмосфере в результате сжигания угля и нефти, накопление Sr90 после ядерных взрывов и др. Загрязнения могут распространяться на материки, страны, зоны, области: применение минеральных удобрений, ядохимикатов. Локальные загрязнения связаны с конкретным рудником, заводом, городом.
В результате загрязнения возникают геохимические аномалии в почвах, породах, строениях (литохимические), в водах (гидрогеохимические), в атмосфере (атмогеохимические), в организмах (биогеохимические). Аномалии не всегда оказывают вредное воздействие на экосистемы. Полезными являются повышенное содержание кальция в районах известкования почв, добавка NaI, KI в районах развития эндемического зоба, фторирование воды в районах кариеса, применение микроудобрений, минеральных подкормок.
Интенсивное изменение физических и геофизических факторов среды произошло только в ХХ веке. Именно с этого времени началось широкое использование электрической, а затем и ядерной энергии, появилось множество разнообразных машин.
Техногенное радиоактивное загрязнение биосферы – один из самых опасных процессов. Даже незначительное повышение радиации сильно влияет на генетический аппарат организмов, в том числе и людей. Количество мутаций во многом определяется суммарной дозой, а не жесткостью и интенсивностью облучения. Поэтому, говоря о радиоактивном загрязнении, в первую очередь имеют в виду не химические особенности элементов, а их радиоактивное излучение. К основным источникам радиоактивного загрязнения относятся: разработка урановых месторождений, перевозка руды и рудных концентратов, обогащение и переработка руд, хранение руд и отходов во временных хранилищах, складирование «пустых» пород при отработке урановых месторождений, исследование ядерных устройств в военных целях (США в войне против Японии), испытание ядерных устройств на военных полигонах (наземные и подземные взрывы), деятельность предприятий ядерно-топливного цикла, использование энергетических ядерных реакторов, аварии на АЭС и реакторах, аварии на подвижных ядерных устройствах (надводных и подводных кораблях, космических аппаратах), использование ряда минеральных удобрений, сжигание углей на ТЭЦ и ГРЭС и др.
Техногенные искусственные магнитные и электромагнитные поля, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое и лазерное излучения, акустические колебания, вибрация, электрический ток охватили практически всю биосферу. Их максимум приходится на селитебные, особенно городские, ландшафты. У большинства этих факторов есть природные аналоги, безопасности жизнедеятельности угрожают те из них, интенсивность воздействия которых существенно отличается от природных. Установлена их связь с ростом травматизма, общей заболеваемости; степень допустимого воздействия указанных факторов регламентируется на производстве санитарными нормами и ГОСТом. Мало изучен характер техногенного геофизического воздействия на других обитателей планеты, хотя с ним уже связывают массовые «самоубийства» морских животных, выбрасывающихся на берег.
Накопление в экосистемах продуктов техногенеза. Химические элементы, вырвавшиеся из техногенных потоков, включаются в природные воздушные, водные, биогенные миграционные потоки, испытывают превращения, усиливающие или уменьшающие их подвижность. Часть веществ накапливается на геохимических барьерах, они и вызывают техногенные геохимические аномалии. Относительно хорошо изучены локальные аномалии, связанные с рассеиванием в атмосфере выбросов промышленных предприятий, автотрасс. Вокруг крупных городов в составе твердых атмосферных осадков много W, Cd, Sb, Hg (превышают фоновое в 10 раз), Pb, Zn, Mo, Ni, Cr, V, Bi. Концентрация элементов-загрязнителей постепенно убывает по мере удаления от источника, но в почвах и растениях прослеживается даже на расстоянии 18-30 км, заметно накопление загрязнителей - на расстоянии 3-5 км. Форма и протяженность фитопочвенной аномалии зависит не только от мощности источника и продолжительности периода его функционирования, но и от направления и силы ветров.
Состав и протяженность потоков техногенных веществ контролируется общей геохимической обстановкой территории и наличием геохимических барьеров. В миграционных потоках (растворы истинные, коллоидные, взвеси) часть веществ при изменении условий (кислотно-щелочных, окислительно-восстановительных) теряет подвижность, переходит в инертные нерастворимые формы и задерживается на барьерах. Если они все же включаются в биологический круговорот, то возникают фитогеохимические, а затем и зоогеохимические аномалии, зато очищаются воды и почвы. Растительность задерживает и частично ассимилирует вещества из атмосферы, осадков, техногенные элементы включаются в биогенную миграцию.
Значительная часть техногенных веществ удерживается почвой благодаря ее поглотительной способности. Вещества дифференцируются в пределах профиля в зависимости от свойств горизонтов (химическое связывание, физико-химическая адсорбция, механическая поглотительная способность). Загрязненные воды при этом очищаются, а почва загрязняется. Токсичность загрязнителей может нейтрализоваться; кислоты нейтрализуются в щелочных почвах, щелочи - в кислых, органические загрязнители разлагаются и минерализуются, тяжелые металлы входят в кристаллическую решетку минералов и становятся неподвижными. Поведение загрязнителей в почве зависит от генетических свойств почвы. Органические загрязнители накапливаются в почвах, имеющих мощные органогенные горизонты и соответственно характеризующиеся низкой микробиологической активностью (болотные, тундровые, таежно-лесные). Тяжелые металлы необратимо загрязняют почвы с непромывным и выпотным водным режимом. Все виды загрязнителей концентрируются в почвах с водозастойным режимом влаги, в почвах геохимически подчиненных ландшафтов (долины рек, депрессии водоразделов).
Вещества, не удержанные почвой, поступают в породы, грунтовые воды. Там тоже есть геохимические барьеры: сорбционные, восстановительные, окислительные. Оптимален вариант, когда загрязнители не достигают грунтовых вод, но осаждаются ниже корнеобитаемого слоя, т.е. исключаются из биологического круговорота и водной миграции.
«Керосиновая линза» - подпочвенное скопление авиационного топлива образовалось в результате систематических утечек и аварийных проливов нефтепродуктов на объектах Министерства обороны в районе г. Ейска. Вприбрежной зоне на расстоянии 150-200 м от берега находились два подземных склада ГСМ, склады соединялись посредством топливопроводов с военным аэродромом и испытательной станцией. Все емкости имели течь, а топливопровод – свищи и дефекты соединительных муфт. Утечки топлива на протяжении 30 лет привели к насыщению грунтов керосином. «Керосиновая линза залегает на глубине 10 м, площадь загрязнения примерно 1 кв.км, объем оценивается в 50 тыс.т. «Линза» дренирует в Азовское море.
Комплексным геохимическим барьером служат илы водоемов, в них идут процессы биопоглощения, соосаждения, сорбции, восстановления.
Термодинамические и сорбционные барьеры возникают и в атмосфере. Техногенные газы и аэрозоли испытывают инверсии оседания в свободной атмосфере, перераспределяются приземными температурными инверсиями. Продолжительные туманы являются сорбционным барьером для оксидов серы и азота, в атмосферной воде образуются сильные кислоты.
Растительность регулирует поток веществ в системе атмосфера - растительность - почва. Регуляция зависит от видового состава фитоценоза. Для всех природных фитоценозов характерна дифференциация макро- и микроэлементов между семействами, родами, видами. В горной тундре кустарники и разнотравье накапливают в золе Mn, Ba, Sr, а лишайники - Pb, Ni, Co, Cr, V, As, Ag, злаки и осоки содержат минимальное количество микроэлементов. Такая сложная геохимическая структура поддерживает устойчивость экосистем по отношению к загрязнителям. В монокультурных агроценозах выше чувствительность к загрязнению.
По характеру поглощения выделяются безбарьерные виды растений, у которых накопление микроэлементов в почве сопровождается ростом их содержания в золе растений. При этом быстро наступает отравление, и они первыми выпадают на техногенных аномалиях. Барьерные виды имеют физиологические механизмы, препятствующие аккумуляции микроэлементов (выводящие при выделении метаболитов из корней, при дыхании и транспирации, сброс листьев, накопление в неактивных тканях коры, древесине). Высокобарьерные растения являются аккумуляторами, создают аномалии в фитопродукции и в почвах, их продукция может стать ядовитой в пищевых цепях. Низкобарьерные виды самые устойчивые в фитоценозах, их химический состав слабо зависит от загрязнения среды.
Геохимические барьеры обладают определенной емкостью. Мощные техногенные потоки могут разрушить их. Так, карбонаты растворяются кислотами. Особенно хрупкими являются биогеохимические барьеры, отравление растительности прекращает биопоглощение, и изменяются вся геохимическая обстановка в экосистеме.
Загрязнять радионуклидами биосферу человек начинает с начала разработки месторождений, продолжает в течение всего периода их использования. Опасность загрязнения не исчезает и после захоронения отходов. Значительная часть всех захоронений будет представлять опасность многие тысячелетия. Для захоронения часто используется мировой океан. Увеличение в водах концентрации урана в сотни раз по сравнению с фоновым уровнем подавляет жизнедеятельность большинства живых организмов (исключение составляют лишь некоторые адаптированные виды и сине-зеленые водоросли). Радиация нарушает иммунитет и предопределяет возникновение разнообразных заболеваний, осложненных тяжелыми последствиями. Вызванные изменения в живом организме имеют наследственный характер.
После взрывов водородных бомб радиоактивные осадки осаждаются на территории радиусом 10000 км. В результате взрыва на острове Бикини на площади 25600 км2 образовалась зона со смертельной дозой облучения, а радиоактивность воды в радиусе 2000 км даже через два месяца превышала степень ПДК для питьевой воды в 20 раз. В Англии, удаленной более чем на 8000 км от районов взрывов, общее количество только 90Sr за 4 года испытаний увеличилось в 7 раз. Техногенные радионуклиды скапливались не только в почвах, водах и растениях, но и по пищевым цепям в организмах рыб, животных, людей.
В Якутии есть локальные участки с повышенным содержанием тяжелых естественных радионуклидов, которые сформировались в пределах Алданского нагорья в процессе поиска и разработки урансодержащих рудных месторождений. На них прослежен техногенно-аккумулятивный тип распределения нуклидов, характеризующийся максимальным содержанием загрязнителей в верхних горизонтах почв. Повышена концентрация 238U, 226Ra в древесных и травянистых растениях зоны загрязнения.
90Sr и 137Cs являются радионуклидами глобальных атмосферных выпадений. В период массовых выпадений максимальная концентрация нуклидов отмечена в растительном покрове. Спустя два десятилетия после введения моратория на испытание ядерного оружия в трех средах 90Sr более или менее равномерно распределился в растительном покрове, лесной подстилке и верхнем слое почв (0-10 см), а для 137Cs отчетливо проявилась приуроченность его к верхней, наиболее гумусированной части аккумулятивного почвенного горизонта. Подвижность 90Sr подтверждена как в профилях разных почв, так и в экосистемах в целом, что проводит к загрязнению этим радионуклидом аккумулятивных участков. На верховых болотах существенная роль в аккумуляции радионуклидов принадлежит моховой растительности, характеризующейся повышенной накопительной способностью по сравнению с представителями высших растений (Молчанова, Караваева, 2001).
Радионуклиды массовых выпадений распределены по территории нашей страны неравномерно. Так, уровень их содержания в Якутии можно считать фоновым, а регионы Среднего и Южного Урала характеризуются более высоким содержанием 137Cs в почвенно-растительном покрове.
Многолетние газоаэрозольные выбросы Белоярской АЭС на Среднем Урале не способствовали ощутимому загрязнению 137Cs и 90Sr примыкающих к ней наземных экосистем. Запас 90Sr и 137Cs в почвенно-растительном покрове 30-километровой зоны приближается к значениям, характерным для Среднего Урала. Радиоактивное загрязнение связано с жидкими промышленными сбросами, поступающими в Ольховскую болотно-речную экосистему. Основные загрязнители, 137Cs, 90Sr и 60Co, накапливаются в почвах приболотных зон и произрастающих на них растениях. Наибольшее накопление 137Cs наблюдалось в слое почв 0-10 см, где запас его на порядок выше контрольных уровней. Прибрежные заболоченные почвы служат природным экраном, препятствующим увеличению ореола рассеивания.
Печально известными фактами отмечена работа ПО “Маяк” в Челябинской области. В 1949-1952 гг. им были сброшены в р. Течу высокорадиоактивные отходы. Произошло загрязнение как реки, так и ее пойменных участков «долгоживущими» радионуклидами, в особенности 137Cs, 90Sr. Возросло их содержание в почвах поймы р. Исети, вниз по течению от места впадения в нее р. Течи. В верхнем и среднем течении р. Течи в пойменных почвах преобладает 137Cs, а далее основным загрязнителей становится 90Sr из-за его большей миграционной подвижности. Высокое содержание физико-химических подвижных форм 90Sr в почвах и его способность перемещаться с поверхностным и внутрипочвенным током обеспечивает его большее распространение (примерно на два порядка величин) по сравнению с 137Cs.
Авария на Чернобыльской АЭС в 30-километровой зоне привела к загрязнению экосистем 137Cs > 134Cs = 90Sr. Наиболее загрязненными оказались растения и почвы лесных насаждений водораздельных участков, а также почвы речных долин, отличающиеся задернованностью и гидроморфными условиями. Минимальное загрязнение характерно для слабогумусированных песков остепненных прирусловых валов пойм. На первых этапах не обнаружено интенсивного перераспределения радионуклидов как в профиле почв, так и в ландшафте. Лишь на наиболее динамичных участках прирусловой поймы и переувлажненных мохово-травянистых западинах наблюдается заглубление максимумов загрязнения радионуклидами на 10-15 см от поверхности.
Устойчивость экогеосистем к загрязнению. Устойчивость определяется характером техногенных воздействий и геохимической структурой экогеосистем. Техногенные воздействия могут быть постоянными (перерабатывающие предприятия), периодическими (повторяющиеся аварии, повторные известкования), сильными (авария, взрыв) с мощным техногенным потоком, вызывающим трансформацию экогеосистем с длительным периодом посттехногенного воздействия. При сильных воздействиях техногенные модификации резко отличны от природных экосистем, так образуются солончаковые и солонцовые экосистемы в тайге при воздействии сильноминерализованных вод в районах нефтепромыслов.
Техногенные воздействия могут быть совместимы с направлением природных процессов, ускоряя или усиливая их; так действуют кислые дожди в таежной зоне или минерализованные нефтяные воды в аридных зонах. Если воздействие противоположно природному направлению, то экогеосистема обладает буферными свойствами (до некоторого предела): кислые дожди нейтрализуются в почвах черноземной зоны. Если культурная химизация не совпадает с природным направлением геохимических процессов, то эффект ее не устойчив. Требуется повторное известкование кислых почв и гипсование щелочных почв, дробное внесение удобрений в условиях влажного климата тропиков.
Устойчивость экосистемы зависит от ее положения в рельефе. Геохимически автономные экогеосистемы водоразделов более устойчивы, чем подчиненные экогеосистемы. Самоочищение экосистем водоразделов зависит от мощности поверхностного и грунтового стока. «Самоочищение» автономных экогеосистем ведет к загрязнению подчиненных, иногда отстоящих на расстоянии десятки и сотни километров (накопление химикатов, пестицидов).
Судьба продуктов техногенеза в экогеосистемах зависит в значительной степени от геохимической обстановки, которая регулирует накопление, включение и вывод из биологического круговорота. Ведущими параметрами геохимической среды являются кислотно-щелочная и окислительно-восстановительная обстановка, наличие органического вещества в природных водах (с которым связана миграция тяжелых металлов), соотношение осадков и испаряемости (испарительная концентрация растворов), распространение засоленных почв и соленых озер (тоже показатели испарительных барьеров), ветра, вечная мерзлота (механический и низкотемпературный барьер), форма рельефа и др.
Техногенные экосистемы.
Урбо-экосистемы. К середине 1990-х гг. 43 % (2,3 млрд) населения мира проживало на урбанизированных территориях, тогда как в 1950 г. городское население составляло всего 29 %. Предполагают, что к 2025 г. городское население достигнет 5,2 млрд. Наиболее урбанизированными регионами являются Австралия, Новая Зеландия, Северная и Западная Европа, где городское население составляет более 80 %. В бывшем СССР этот показатель был равен 66 %. Урбанизированные земли, по оценке Исполкома ЮНЕП, составляют примерно 60 млн га, или 0,46 % всей площади земель мира.
В городской атмосфере создаются очаги тепла и пыли, которые существенно влияют на температуру воздуха и осадки. Центр города в среднем теплее, чем его окраины и окрестности. Отличия в климате города и окрестностей иногда равнозначны передвижению на 200-300 км к югу. Повышенная конвективность атмосферы города, а также ее техногенная запыленность приводят к увеличению количества гроз, росту интенсивности ливней и общего количества осадков. Зимние осадки могут достигать 150 %, летние – 115 % от нормы. В городах чаще, чем в сельской местности, бывают грозы, облачная погода, выпадает больше дождей и меньше снега. В воздухе городов в 100 раз больше пыли и 5-25 раз больше отработанных газов, чем в агроэкосистемах. Загрязненная атмосфера городов поглощает около 20 % солнечного света, при низком стоянии солнца – более 50 %. Все это отражается на здоровье населения: идет рост респираторных, сердечно-сосудистых, раковых и других заболеваний.
Современные города представляют собой сплошную геохимическую аномалию полиэлементного состава. Главные источники загрязнения - автомашины и промышленные предприятия. На автомагистралях воздух обогащен СО, NO, NO2 и др. Техногенные ореолы вокруг предприятий распространены на километры. Среди элементов-загрязнителей особо опасны Hg, Pb, Cd: накапливаются в растениях, почвах, водах, животных, человеке. Их концентрация в центре городов может быть в 25 раз выше, чем на окраинах. Образуются и особые геохимические туманы - смоги. В водоемах городов, в прудах на территории металлургических и химических комбинатов образуются почти полностью техногенные илы. Спектр накапливающихся элементов-загрязнителей очень широк: Ag, Hg, Cd, Pb, Ni, Cu, Zn, Sn, Bi, Mo, P и т.д. Во многих илах повышено содержание битумов, появляются синтетические продукты, неизвестные в биосфере, существенно изменяются микробиологические процессы. Например, в реках и каналах Санкт-Петербурга илы обогащены органическими соединениями (до 30 %), Cu и Zn. В речных илах белорусских городов фракция менее 0,05 мм обогащена Pb, Ni, Cr, V, Cu.
В процессе урбанизации формируется урбо-экосистема. Урбо-экосистема – это природно-городская система, состоящая из фрагментов природных экосистем, окруженных домами, промзонами, автодорогами и т.д. Она характеризуется созданием новых типов искуственно созданных систем в результате деградации, уничтожения и (или) замещения природных систем.
Для урбо-экосистемы характерны меньшая рекреационная ценность, нарушенность биологического круговорота, сокращение биоразнообразия как по составу, так и по структурно-функциональным характеристикам. Формируются совершенно иные по породному составу, структуре и функциональным особенностям культурные растительные сообщества. Городская флора не утрачивает полностью своих зональных черт, но зональные черты лесной зоны ослаблены в результате приобретения растительностью более южного облика с более засушливыми условиями. Городская флора формируется из местных аборигенных видов и интродуцированных привнесенных, заносимых видов. Особенностями городской флоры являются следующие: богатство флористического состава, традиционная интродукция видов, флористическая неоднородность города, обусловленная его экологической, географической и возрастной неоднородностью. Исчезает ряд важных групп беспозвоночных животных сапрофильного комплекса, непосредственно участвующих в разложении органических остатков. При загрязнении химическими и биологическими веществами может происходить заражение чужеродными почвенными микроорганизмами и появление патогенных видов. Существенна опасность явления генотоксичности, увеличения мутаций микроорганизмов.
В экологических условиях города формируются новые почвы и почвоподобные тела, отличающиеся чрезвычайной гетерогенностью и гетерохронностью сложения и свойств. В почвах замыкается биологический круговорот веществ, происходят биохимическое преобразование культурного насыпного слоя, трансформация поверхностных вод в грунтовые. Почвы являются питательным субстратом для растений, служат банком семян, регулятором газового обмена и т.д. Городские почвы сохраняют биокосную природу и выполняют важнейшие экологические функции, главными из которых являются пригодность для произрастания зеленых насаждений, способность сорбировать в толще загрязняющие вещества и удерживать их от проникновения в почвенно-грунтовые воды, а также от поступления пыли в городской воздух.
Агроэкосистемы. В агроэкосистемах ведущую роль играет биологический круговорот, для его характеристики используют понятия биомассы, продукции, коэффициентов биопоглощения. В агроэкосистемах человек стремится усилить образование живого вещества. Повышение продуктивности достигается через мобилизацию внутренних минеральных ресурсов путем распашки почв, усиление окислительных процессов при осушении болот, орошения, а также путем химизации - дополнительного внесения минеральных элементов. Для повышения продуктивности применяются NPK - удобрения, но и с ними вносятся многие микроэлементы. Все это порождает новые проблемы. Избыток нитратов ухудшает качество продуктов, вымывание может сделать токсичной питьевую воду. Избыток фосфатов за счет их смыва вызывает цветение водоемов. «Побочные» микроэлементы могут загрязнять среду, вовлекаясь в водную миграцию.
Распашка усиливает механическую миграцию (водная и ветровая эрозия) с потерей многих питательных элементов (часто потери превышают привнос с удобрениями). В Латинской Америке «эрозионные пустыни» в 1963 г. охватывали 40-50 млн га. В Пуэрто-Рико к 1960 г. на половине площади было смыто ¾ почв. Ежегодный минеральный сток на Земле составляет (по Л.Г. Бондареву) около 16 млрд т (твердый сток + ионный сток), причем почти половина его техногенна. Активизировалась и ветровая эрозия, возросли повторяемость и интенсивность пыльных бурь, что также связывают с техногенезом. Техногенными причинами объясняют увеличение пыли в ледниках, помутнение атмосферы над морями и океанами и другие явления.
Новым типом высокопродуктивной агроэкосистемы являются оазисы в пустынях и полупустынях. Недостаток воды подавляет здесь биологический круговорот, хотя в пустыне много тепла, света, плодородны почвы. Некоторые оазисы в пустынях уже существуют тысячелетия (низовья Зеравшана, Амударьи, Мургаба). Орошение вызывает «взрыв» биологического круговорота, возникает оазис с новыми почвами, новым климатом, искусственными реками и озерами (арыками и водохранилищами). Однако в оазисах возникают новые экологические проблемы. Орошение резко увеличивает продукцию, но при этом почвы сильно обедняются микроэлементами. В условиях орошения благоприятное воздействие на сельскохозяйственные культуры оказывают Zn, I, B, Mn, Mo. Дефицит микроэлементов в кормах для животных пополняется минеральной подкормкой Co, Cu, Mn, Zn. Ирригация может вызвать подъем уровня грунтовых вод, развивается вторичное засоление, ухудшается качество питьевой воды.
В осушенных торфяниках на техногенных почвах формируются новые экосистемы. Осушение может ухудшить водный режим окружающих природных территорий, пересушенные почвы быстро теряют органическое вещество.
В экосистемах районов добычи и переработки полезных ископаемых трансформация зависит как от специфики и масштабов производства, так и от природных условий. В гумидных районах угледобычи, по Н. П. Солнцевой и Е. М. Никифоровой, в экосистемы поступают тяжелые металлы, битумозные вещества, легкорастворимые соли, главным образом сульфаты железа, марганца, алюминия. В результате засоляются почвы, из-за восстановления сульфатов возникают сульфидные геохимические барьеры, на которых концентрируются соединения железа. В почвах и живых организмах накапливаются канцерогенные Be, Sc, Bi, Hg, Cd, Ce и другие микроэлементы.
В нефтепромыслах Западной Сибири пресные грунтовые и пластовые воды используются для водоснабжения. В результате в миграцию включаются соленые воды глубоких горизонтов. В подземных водах уменьшается содержание Fe, Mn, H2S, гуминовых веществ, ряда микроэлементов, растет содержание фенолов, нефтепродуктов, ионов аммония. Энергично развивается микробиологическая деятельность. На нефтепромыслах других регионов установлено изменение почв и растительности под влиянием нефти, в тайге формируются солончаки.
В аридных районах особенно большое значение приобретают атмосферная миграция, распыление руд и отвалов. В районах одного из горнодобывающих комбинатов в лесостепи Южного Урала (медно-колчеданные руды) основными источниками загрязнения являются рудный карьер, отвалы, обогатительная фабрика, склады. Установлено загрязнение почв и растительности Cu, Zn, Pb, Ni, V, Cr. Радиус ореола техногенного загрязнения колеблется от 5 до 20 км. В Средней Азии в районе фосфатного производства среда загрязняется S, F, As и тяжелыми металлами, характерен дефицит меди и цинка у домашних животных, обязанный избытку фосфора и серы.
Площадь былых рудников и карьеров на территории страны достигает миллионов гектаров. В результате рекультивации их превращают в агроландшафты, зоны отдыха и т.д. В экосистемах рекультивированных территорий, как правило, сохраняется техногенное загрязнение.
Автомобильная дорога с примыкающей к ней полосой – это экосистема, в которой за счет выхлопных газов и других воздействий автомашин меняется состав атмосферы, почв, растений и животных. В США исследование полосы шириной 50 м по обочинам шоссе № 1 и шоссе Балтимора – Вашингтон показало, что земляные черви здесь «обогащены» Pb, Zn, Ni, Cd, причем птицы, поедающие червей, погибают от отравления свинцом и цинком.