Понятие геосистемы Глава I определение некоторых понятий и терминов

Понятие геосистемы

Глава I

Определение некоторых понятий и терминов

Определение некоторых понятий и терминов сформулировано Комиссией по унификации ландшафтной терминологии при Президиуме географического общества СССР (в дальнейшем будет именоваться Комиссия, 1963 г.).

Среди природных систем в окружающей человека среде особую роль играют географические системы или геосистемы — это понятие ввел А. Г. Исаченко. Термин “геосистема” более других, соответствует уровню представлений о том объекте, к которому мы его относим (Комиссия, 1963 г.). Что такое геосистема? Геосистема — это природно-географические единства всех возможных категорий, от планетарной геосистемы (географической оболочки или географической среды в целом) до элементарной геосистемы (физико-географической фации) (Согава, 1978 г.). Геосистемы — материальные выражения целостности географической оболочки и отдельных ее участков.

Им свойственны качественно своеобразные законы изменения и развития — частные проявления особой географической формы движения материи (Трусов, 1961). Геосистемы весьма разномасштабны, поэтому совершенно естественно их разделение по размерности: длине, площади, объему, массе, времени. В теории размерности допускается обобщение в очень обширные классы. Применительно к геосистемам это имеет свои особенности, а точнее нуждается в своем математическом аппарате и соответствующих физических критериях. Мы подходим к этому эмпирически и различаем три ранга геосистем:

планетарная геосистема (географическая оболочка) — высшее природное единство;
основная геосистема (ландшафт), представляющая наиболее дробное подразделение географической оболочки, которое достаточно полно характеризует поместные особенности структуры географической среды;
элементарные геосистемы (физико-географической фации), представляющие недолговечные, быстро трансформирующиеся комплексы, внутри которых природные условия практически однородны (Согава, 1986 г.).

Фация — наиболее дробное и, как, правило, наименее долговечное подразделение географической среды (элементарная геосистема), которое не пересекается не одним существенным природным рубежом (Комиссия, 1963 г.).

Ландшафт — основная геосистема, внутри физико-географической области (страны), представляющая участок земной поверхности, на котором выявляется специфичная для него сложная система фаций образующих территориальные сочетания (урогища, группа урогищ), динамические и разного рода факторальные ряды. (Комиссия, 1963 г.) В ландшафте, как в фокусе, совмещаются региональный и типологический показатели природы. Как основная таксологическая единица географической среды ландшафт в равной степени является категорией систематики геосистем и районирования территории.

Теснота связей между компонентами геосистемы может быть поставлена на первое место в ряду логических критериев учения о геосистемах, так как характеризует очень важную особенность структуру этих систем. При нарушении нормы тесноты (допустимой жесткости детерминации) геосистема как таковая неминуемо распадается. Это обстоятельство имеет глубокий смысл, так как с одной стороны, определяет возможность длительного существования геосистемы как целого и, с другой — не стесняет некоторые отклонения режимов, ее компонентов. Компонентами ландшафта (и любой геосистемы) являются слагающие его “естественно-исторические тела” — качественно особые виды материи (климат, морфологический комплекс с присущей ему геологической основой, воды, почва, растительность и прочее). Они характеризуются каждый своей формой движения материи — по отношению к географической форме движения (знаменующей развитие географической среды), менее сложной, нередко низшей или побочной. (Комиссия, 1963 г.). Каждый компонент геосистемы представлен подразделениями различного ранга, сформировавшиеся в процессе исторического развития этого компонента при взаимодействии с другими, нередко развивающиеся в другом темпе. Каждый компонент геосистемы может иметь свой возраст. Эволюция геосистем как определенных структур шла по пути выработки “свободы связи” между компонентами. Там, где складывались условия жесткой детерминации, геосистема не стабилизировалась.

Наряду с ограниченной детерминацией в геосистемах действует различная степень причинности между составляющими ее процессами и явлениями. Н. Винер обращал внимание так же на то, что связи в пределах организации в одних случаях играют более важную роль, в других второстепенную. При этом, по мнению Н. Винера, следует считать, что причинность есть нечто, могущее присутствовать в большей или меньшей степени, а не только быть или не быть. Все это вместе взятое никогда не позволяет упускать из виду, что геосистемы есть диалектическое целое с многообразными связями и противоречиями.

Эволюция и динамика геосистем

1.2.1. Эволюция и динамика. Эквифинальное и переменное состояние геосистем

Ландшафтная сфера и вся составляющая ее иерархия геосистем формировалась в процессе исторического развития, и поэтому изучение большей части пройденного ими пути относится к компетенции полегеографии и геологии. Процесс эволюции ландшафтной оболочки, который мы мыслим как смену одних инвариантов геосистем другими, на протяжении геологических периодов шел в определенном направлении в результате саморазвития геосистем и воздействия на них изменяющихся внешних условий. Сменяющие друг друга инварианты представляют собой этапы эволюционного процесса. Сами они на всем протяжении эволюции были представлены множествам переменных состояний, каждое из которых надо рассматривать как временное преобразование инварианта — основной категории, на определенном отрезке эволюции остающейся относительно неизменной.

Все превращения условно неизменного инварианта геосистемы рассматриваются как ее динамика. Безусловно, в широком смысле динамика не отделима от эволюции, а эволюция от динамики. Для каждого инварианта время, прошедшее с момента его возникновения в процессе эволюции ландшафтной сферы мы считаем возрастом геосистемы, а время существования каждого из переменных состояний одного инварианта на определенном участке поверхности — долговечностью геосистемы. Таким образом, возраст геосистемы — это продолжительность ее существования в эволюционном ряду в качестве определенного структурно-динамического типа. Как правило, чем выше рангом подразделение природной среды, тем больше его возраст. При этом возраст отдельных подразделений одного и того же ранга (например, геомов) может существенно различаться.

Очень часто о древности той или иной геосистемы судят на основе возраста одного из рельефа. Однако знание возраста одного компонента бывает недостаточно. Надо различать возраст геосистемы и таковой отдельных ее составляющих. Возраст геосистемы определяется тем сроком, в течение которого взаимоотношение между ее компонентами продолжают более или менее подобными. Отдельные компоненты при этом могут быть старше. Установление возраста геосистем требует анализа связей между компонентами геосистем во временном разрезе, то есть необходимо составить представление об эволюции системных связей в том или ином интервале геологического летоисчисления. Однако это дело будущего, которое последует за изучением современных геосистем, их инвариантов и переменных состояний, а также за внедрением методов системного анализа в полеогеографию.

Вопросы долговечности геосистем целиком относятся к сфере физической географии. Они решаются методами полевых ландшафтных исследований. Долговечностью биогеоценозов одной и той же фации в разных геохорах может быть неодинаковой. Понятие долговечности чаще всего применяется к выделам фации или к биогеоценозам. При этом имеется в виду период времени, в течение которого тот или иной биогеоценоз удерживает за собой определенную территорию, что нередко можно установить сравнительно точно. Долговечностью отличаются многие коренные биогеоценозы и другие коренные геомеры, которым присущ и относительно больший возраст. Наряду с этимнекоторые серийные биогеоценозы недолговечные, хотя и относятся к серийным фациям, имеющим большой возраст.

Понятие долговечности применимо также к группам и классам фаций и к геомам. Оценка возраста и долговечности геосистемы в единицах времени (относительных и абсолютных) составляет одну из ближайших, пока не решенных задач учения о геосистемах. В настоящее время в этом плане мы можем опираться преимущественно на сравнительно-географические наблюдения, ибо до сих пор не выработано применяемой методики летоисчисление для датировки динамических трансформаций геосистем.

Динамический критерий в ландшафтоведении имеет довольно длительную историю, но он укрепился и приобрел значение во всех разделах этой науки лишь после того, как начала получать признание теория открытых систем в новом ее толковании, данном Л. Берталанфи (Bertalanffy, 1950), У. Эмби (Ashby,1958) и другие. Системный подход оправдывает себя при изучении подразделений природной среды всех уровней и особенно плодотворен там, где системная организация геомеров и геохор уже в настоящее время может быть изучена с применением точных методов. Сейчас это достижимо на типологическом уровне. Необходимой предпосылкой для правильного понимания динамической природы геосистем служит представление об их инвариантном и преобразуемом началах. Инвариантное начало сохраняется неизменным при всех динамических преобразованиях. Преобразуемая часть геосистем (уже преобразованная и потенциально доступная преобразованию) находится в динамическом состоянии.

“Инвариант” — в известной мере абстрактное понятие, а “динамическое состояние” — конкретное воплощение модификации геосистем с ее повидовыми морфологическими и функциональными особенностями. Динамика в отличие от эволюции проявляется в пределах определенной структуры геосистемы. Между понятиями “динамика” и “структура” существует непосредственная связь — они взаимообусловлены. С другой стороны, по трактовке некоторых философов, структура — это инвариантный аспект системы. Если следовать этой формуле, то структура геосистемы и есть инвариантное начало.

Динамика проявляется в рамках определенного “кадра” в эволюционном ряду развития геосистемы. Последний можно для образности сравнить с кинематографической лентой. Каждый кадр такой ленты соответствует определенному инварианту и содержит некое множество переменных структур. Переход одного инварианта в другой (смена кадра) — это уже проявление эволюционного развития природной среды, для которого динамические явления представляют одну из движущих сил.

Ландшафтной сфере свойственно множество динамических состояний, полную типизацию которых в настоящее время мы еще можем предложить. Все же рационально отличить два вида состояний: эквифинальное и переменное.

К эквифиальным геосистемам относится коренные, условно-коренные и квази (ложно) коренные.

Коренные геосистемы — это устойчивые геомеры и геохоры с прочно установившимися внутрисистемными и внешними связями. Это понятие соответствует общеизвестному представлению о климаксе, или заключительном природном комплексе. Условно-коренные геосистемы обычно близки к коренным и отличаются от последних лишь тем, что за недостатком времени еще не пришли в равновесие как внутри себя, так и с внешней средой. Растительность условно-коренных геосистем соответствует понятию плезиоклимакса по Г. Госсену (Gaussen, 1954) или потенциальной растительности по Р. Тюксену (Tuxen, 1957). Квазикоренные геосистемы по сравнению с коренными видоизменены в результате гипертрафии или гипотрофии одного из компонентов системы (например, избытка влаги и недостатка кислорода на торфяных болотах, скопления солей в грунтах солончаках и прочие).

Все геосистемы эквифинального вида — коренные, условно-коренные и квазикоренные — представляют собой своего рода материнские ядра многочисленных серийных геосистем, ряды которых исходят от эквифинала, когда сукцессия начинает прогрессировать, и всходят к нему, когда коренное (или условно- или квази-) состояние начинает восстанавливаться.

Природа серийных рядов во многом зависит от причин, вызвавших отклонение от эквифинального состояния, выявление которых нередко представляет трудность.

Различного типа факторальные, динамические и прочие ряды серийных геосистем соответствуют сукцессионным рядам в понимание экологов, они заключают серию сменяющих друг друга состояний в ходе спонтанного развития или в результате воздействия человека. Каждой геосистеме свойственны ритмы изменчивые по годам, они входят в понятия ее состояния и должны учитываться при его определении. Состояние геосистемы — это не моментальный снимок геосистемы; оно может выявляться в интервале, например, около 10 лет, если при этом не действуют какие-либо обстоятельства, удлиняющие или укорачивающие этот срок.

Необходимо иметь в виду, что в любое время сколько-нибудь значительный участок ландшафтной сферы состоит из многих разнокачественных геосистем — не только по морфологическим и функциональным особенностям, но и по динамическому состоянию. Так, почти каждую геохору, например, мезогеохору, мы можем рассматривать как мозаику геомеров с различными динамическими тенденциями. От того, как сочетаются динамические категории геомеров в пределах геохоры, зависят многие ее существенные особенности. Коренные, квазикоренные и разных ступеней серийные биогеоцинозы граничат друг с другом, и образуемые при этом рубежи неравнозначны в структурно-динамическом отношении. Так, в случае спонтанных геомеров могут быть выявлены следующие виды примыкания их друг к другу (Сагава, 1967):

геосистема, относящаяся к коренной фации, примыкает к геосистеме другой коренной фации;
геосистема той же категории примыкает к серийной геосистеме, находящейся с ней в одном ряду развития;
геосистема той же категории примыкает к серийной геосистеме другого ряда развития;
серийные геосистемы одного и того же ряда развития примыкают друг к другу (в этом случае нередко рубежи нечетки и создается впечатление континуума);
контактируют серийные геосистемы разных рядов развития.

Существуют и другие виды примыкания геомеров друг к другу, например контакты перечисленных категорий геосистем с квазикоренными, в частности с различными кратковременно — и длительно производными модификациями. Из сказанного следует, что анализ рубежей геосистем возможен только с учетом динамического состояния контактирующих друг с другом биогеоценозов.

1.2.2. Саморегуляция геосистем

Наряду с повсеместно очевидными тенденциями к изменению структуры геосистем, при ближайшем анализе выявляется присущее им стабилизирующее начало, которое вместе с другими причинами определяется процессами соморегуляции. Таким образом, понятие о нем должно входить составной частью в содержании понятия о динамики геосистем вообще и в частности той ее категории, которую И. И. (1968) назвал стабилизирующей динамикой. Понимание стабилизирующей динамики соответствует совершенному представлению о гомеостазе. Этот термин, как известно, введен в обиход физиологами для обозначения относительного динамического постоянства внутренней среды и устойчивости основных физиологических функций организма. Но в последнее время термин “гомеостаз” начинает получать и более широкое толкование, а именно в кибернетики по отношению к любому саморегулирующемуся явлению. В этом смысле термин “гомеостаз” может применяться и к геосистемам (Сочава, 1978).

Стабилизирующая динамика природной среды — чрезвычайно существенная особенность физико-географического процесса. Она способствует тому, что вдовые и родовые признаки фаций и геомов удерживаются во времени, несмотря на многочисленные воздействия извне на структуру геосистемы.

Гомеостаз — одно из главнейших условий, определяющих восстанавливаемость природных ресурсов и свойств окружающей среды (самоочищение воздушного бассейна, водных масс, почв и прочее). Изучение механизма стабилизирующей динамики имеет большое практическое значение, если мы хотим рационально управлять воспроизводством природных богатств. Стабилизирующая динамика геосистем не менее значима, чем преобразовательная, однако до сих пор она мало изучена.

Под саморегулирующей геосистемы понимается приведение ее в устойчивое состояние в процессе функционирования — круговорота субстанции и излучение тепла, жизнедеятельности биоты и другое. Саморегуляция обеспечивает относительное равновесие всей системы. Саморегуляция и определяемое ею стабилизирующие начало обеспечивает относительное равновесие всей системы. Саморегуляция и определяемое ею стабилизирующее начало — это важнейший фактор организации геосистем. Саморегуляция удерживает на некоторый период времени переменные структуры геосистем в серийном ряду развития. Долговечность серийных фаций (а также их растительных, почвенных и других компонентов) во многом зависит от присущего им стабилизирующего начала. Саморегуляция в зависимости от сопровождающих ее условий определяет в одних случаях дискретность, в других — непрерывность изменения структуры на определенном пространстве (но это не значит, что тип природных рубежей зависит только от саморегуляции).

Саморегуляция обуславливает относительное равновесие геосистемы при спонтанном ее развитии. Она заметно проявляется и при рациональной мере воздействия, например антропогенного, на геосистему извне (сенокошение, выпас, нормированная рубка деревьев, рациональное водопользование и другое). При значительных нарушениях структуры геосистемы роль саморегуляции снижается, но в полной мере она не может быть устранена. Всегда остается радиационный фактор и региональные особенности климата, под влиянием которых коренная структура природной среды имеет шансы в той или иной степени восстановится, что требует разного и нередко большого промежутка времени.

Геосистемы с нарушенной структурой делятся, по крайней мере, на две категории:

геосистемы, относительно сохранившие свои спонтанные потенции и способные произвести первоначальную структуру за счет факторов саморегуляции;
геосистемы, коренным образом изменившие свою структуру, восстановление которой возможно лишь через длительный срок и только при воздействии планетарно-региональных движущих сил.

Таким образом, саморегуляция — это составная часть сложного процесса восстановления нарушенной структуры геосистемы. Причем действенность ее тем больше, чем меньше нарушена структура (Сочава , 1978).

Саморегуляция — свойство, проявляющееся в разных геосистемах по-разному в зависимости от их структурных особенностей. В основном, саморегуляция наиболее действенна в оптимальных условиях тепла и влаги. Например, в южных районах тайги она выражена сильнее, чем в северо-таежных.

В спонтанных условиях саморегуляции направлена главным образом на обеспечении равновесия геосистемы, которое нарушается различными отклонениями воздействующих факторов среды от средней их нормы по ходу временных циклов (периоды засухи; резкие случающиеся раз в десятилетия похолодания; колебания уровня грунтовых вод).

Саморегуляция ни в коем случае не приостанавливает эволюцию природной среды. В спонтанных условиях она только сглаживает ее ход. В некоторых случаях направление эволюции непосредственно определяется саморегуляцией, например, когда механизм саморегуляции изменяется под влиянием внутренних и внешних (к эволюционирующей геосистеме) факторов.

1.2.3. Режим связей

Саморегуляция геосистемы в значительной мере зависит от направленности взаимоотношений между составляющими ее компонентами. Очень важен при этом режим связей как геосистемы в целом, так и подчиненных ей систем. Многое в этом отношении определяет наличие обратных связей. Геосистема как класс управляющих систем выявляется и описывается при макроподходе. При макроподходе она расчленяет на элементарные управляющие системы, число которых может быть довольно большим. Отдельные элементарные системы характеризуются наличием или отсутствием обратных связей, что обнаруживается при изучении их функционирования.

Обратные связи делятся на положительные и отрицательные (Ланге, 1961). Положительные обратные связи чаще усиливают цепные реакции, сопровождающие преобразовательную динамику; отрицательные обратные связи больше способствуют восстановлению равновесия, то есть определяют саморегуляцию, это относится к саморегуляции геосистем в региональном масштабе, а процесс саморегуляции рассчитан на длительный промежуток времени. Но обратные связи в качестве стабилизирующего фактора действуют и в геосистемах топологической размерности, при этом их эффект может проявиться за меньший промежуток времени.

Стабильность системы обеспечивается не только отрицательной обратной связью. Положительная обратная связь при определенных условиях может обеспечить необходимый для стабилизации компенсационный эффект. Кроме того, при некоторых обстоятельствах любая обратная связь сама по себе не обеспечивает стабильность системы (Сачава, 1978). Последняя обеспечивается обратными связями отрицательного и положительного значения, но при определенных условиях.

Саморегуляция возможна, если связи, присущие системе, не абсолютно устойчивы. Последнее имеет место в природе для всех главнейших связей, определяющих коренной геомер и любую геохору.

Нередко исследователи необоснованно придают слишком большое значение высоким показателям связи (коэффициентам корреляции) между отдельными природными явлениями. Сами по себе эти высокие коэффициенты корреляции не служат гарантией постоянной значительной взаимообусловленности соответствующих явлениях и существования между ними жесткой связи. Высокий коэффициент корреляции в изменчивой обстановке геосистемы может выявляться при определенных непродолжительно действующих условиях и не оставаться постоянным не только в многолетнем, но и в годичном цикле.

Системы, в которых отдельные части плотно пригнаны к друг другу, где немыслимо существование этих частей при уклоняющихся соотношениях, должны быть крайне неустойчивыми, эфемерными, и, таким образом, по существу не реальны. Геомер, функции которого жестко лимитированы определенными показателями тепла или влаги, в особо засушливый период или годы крайнего похолодания распадается как структурный тип. Саморегуляция геомера возможна, если связи между его компонентами допускают определенную амплитуду показателей корреляции. Это обязательное условие устойчивой организации и необходимая предпосылка для саморегуляции.

1.2.4. Понятие об эпифации

Эпифация — это совокупность переменных состояний элементарных геомеров, каждое из которых подчинено одному материнскому ядру — одной из эквифинальных фаций; ее можно рассматривать как совокупность динамически связанных геомеров, соотношение между которыми целесообразно изучать количественными методами.

Эквифинальные структуры, их переменные состояния и модификации, вызванные внешними агентами, в пределах эпифации представляют динамическую целостность. В совокупности они образуют множество, для упорядочения представления о котором возможна только классификация всех переменных состояний (включая и их трансформацию под влиянием человека) в связи с материнским ядром — эквифинальной фации. То есть, коренная фация, сопряженные с ней ряды серийных фаций, а также различные ее модификации — все вместе должно рассматриваться как некое динамическое целое. Изучение этого целого имеет очень большое значение для правильной постановки проблем ландшафтоведения. Описание геомеров с переменной структурой без указания на принадлежность их к той или иной эпифации в основном не обеспечивает нужной информации, в особенности, когда дело касается серийных и модифицированных антропогенными воздействиями геосистем. В общей классификации геомеров для каждой коренной фации должны быть указаны ряды ее переменных состояний.

Так же надо поступать при обозначениях в классификации геомеров более высокого ранга. Если группа (или класс) фаций заключает не только обобщение коренных фаций, но и всех свойственных им производных состояний, то группа (или класс) эпифаций должна представлять собою обобщение всех входящих в соответствующую группу (или класс) эпифаций коренных структур и переменных состояний. По такому же принципу обобщаются коренные и производные геосистемы в эпигеомы, а также в другие эпигеомеры более высокого ранга.

Материнским ядром эпифации является коренная фацианальная структура. Обособленное положение занимают квазикоренные фации, они возникают, когда структурные пропорции коренной фации нарушены вследствие гипертрофического воздействия какого-либо из факторов. Квазикоренные фации нередко выражены на большой площади и устойчивы во времени. Заметим, что их связь с коренными структурами представляет не только теоретический интерес, она указывает на пути оптимизации квазикоренного состояния, если в том есть необходимость. Во многих случаях квазикоренные фации находятся в сложном взаимоотношении с материнским ядром коренной фации. По характеру растительности и почв квазиеоренная фация представляет аналог экоклимакса. Опыт показывает, что в настоящие время преждевременно строить графы, в которых квазикоренные фации включаются как производные от коренной фации (Сачава, 1974).

Вокруг условнокоренных фаций формируются самостоятельные эпифации со своими материнскими ядрами. Как уже говорилось, переменные состояния эпифации представлены серийными фациями и различными антропогенными модификациями. Те и другие образуют ряды (серийные и ряды трансформации) и представляют основное подвижное множество, слагающее эпиацию.

Переменные структуры имеют разную долговечность: к ним относятся кратковременнопроизводные и длительнопроизводные фации, а также различные спонтанные биогеоценозы серийного типа. Более удобная квалификация по долговечности необходима, но ее следует основывать на количественных показателях, выявление которых — одна из задач, стационарного исследования биогеоценозов и фации.

Разным эпифациям свойственна различная интенсивность динамических процессов. Они характеризуются разнообразием производных структур и разной скоростью их трансформации.

При обработке и систематизации полевых материалов может быть использована, наряду с другими приемами, теория графов, обеспечивающая наглядность и геометрический подход к пониманию динамического состояния геосистем. Построение графа осуществляется следующим образом: коренную фацию изображают в центре ряда сукцессии, как материнское ядро эпифации. Вершины графов обозначают переменные состояния фации. Такой граф эпифации представляет в настоящее время наилучший способ информации о ее динамическом состоянии (Сачава, 1978).

Граф, отображающий структурно-динамические связи в пределах эпифации, должен строиться на основе хорошо обработанного и обобщенного материала полевых наблюдений.

Эпигеомы, их группы и классы

Группа эпифаций представляет собою еще более сложную динамическую полисистему, чем эпифация. Это относится и к последующей геперализации групп фаций в классы фаций и далее — в геомы. Понятие об эпигеомах еще должно разрабатываться, но оно может использоваться уже сейчас при современных классификационных построениях.

Переменные состояния геосистем, относящихся к одному геому (эпигеому), — это переменные состояния фации, при надлежащих к группам и классам, входящим в состав геома. Таким образом, представление об эпигеоме получается в результате обобщения данных топологического порядка (полевых исследований и крупномасштабных карт) в процессе последовательной и поэтапной геперализации эпифаций (Сачава, 1978).

Эпигеом имеет узловое значение и в классификации геомеров регионального порядка. Все выше его стоящие подразделения природной среды представляют объединение эпиогемов. От правильности выделения эпигеомов зависит стройность всей классификационной системы региональных геомеров.

Эпигеомы позволяют получить общее впечатление о разнообразии ландшафтной сферы больших территорий. Вся природа укладывается в группы эпигеомов, заключающих коренные, условно-коренные, многочисленные квазикоренные группы и классы фаций. Сюда же относятся многочисленные серийные геосистемы, а также возделываемые и используемые под промышленное строительство земли, о ландшафтной принадлежности которых мы можем судить по их инварианту.

Классификация геосистем с учетом их динамического состояния. Возможно судить классификацию не геомеров, а эпигеомеров, но она будет не достаточно действенна. Большое значение имеет классификация геомеров, где коренной фации или коренному геомеру подчинены хотя бы главнейшие динамические ряды. Однако этого в ряде случаев бывает недостаточно. Нередко отнасительно устойчивые производные или преобразованные геосистемы, например междуречные луга в лесной зоне, имеют специальный интерес, и их систематизация практически необходима. Тогда встает вопрос о вспомогательных классификациях динамически неустойчивых систем. Эти классификации должны быть строго целевыми, но по возможности построенными так, чтобы связь классифицируемых производных геосистем с их эквифинальными фиксировалась бы тем или иным способом.

Объединение эпигеомеров в градиции более высокого ранга не должно встретить особых трудностей, если будет осуществляться в рамках двухрядной классификации геосистем. Эти градации большего масштаба имеют определенное значение и в лесохозяйственном отношении, кроме того. Они обозначают в общих чертах потенциал местности при других видах ее использования.

Графическое прогнозирование

1.3.1. Прогноз и прогнозирование

Следует различать понятие “прогноз” и “прогнозирование”. Прогнозирование — это процесс получения данных о возможном состоянии исследуемого объекта. Прогноз – результат прогнозных исследований. Есть много общих определений термина “прогноз”: прогноз — это определение будущего, прогноз — это научная гипотеза о развитии объекта, прогноз — характеристика будущего состояния объекта, прогноз — оценка перспектив развития.

Несмотря на некоторые отличия определений термина “прогноз”, связанные, по-видимому, с различиями целей и объектов прогноза, во всех случаях мысль исследователя устремлена в будущее, то есть прогноз представляет собой специфический вид познания, где исследуется не то, что есть, а то, что будет. Но суждение о будущем не всегда есть прогноз. Например, есть закономерные события, которые не вызывают сомнения и не требуют прогнозирования (смена дня и ночи, сезонов года). Кроме того, определение будущего состояния объекта — это не самоцель, а средство научного и практического решения многих общих и частных современных проблем, параметры которых, исходя из возможного будущего состояния объекта, задаются в настоящие время.

Общая логическая схема процесса прогнозирования представляется как последовательная совокупность.

Во-первых, представлений о прошлых и современных закономерностях и тенденциях развития объекта прогнозирования.

Во-вторых, научного обоснования будущего развития и состояния объекта.

В-третьих, представлений о причинах и факторах, определяющих изменение объекта, а также условий, стимулирующих или препятствующих его развитию.

В-четвертых, прогнозных выводов и решений по управлению.

Для решения многих познавательных и практических задач все возрастающее значение приобретают комплексные прогнозы, включающие и собственно географический прогноз. Его значение особенно велико для обоснования и апробации различных концепций экономического и социального развития, при составлении плановых и технических проектов.

Географы определяют прогноз преимущественно как научно обоснованное предвидение тенденций в изменении природной среды и производственно территориальных систем (Сачава, 1978).

В аспекте эволюции геосистем — это особая задача, решение которой относится к области полеогеографии, а в части текущей динамики, то есть смены одной переменной структуры другой, — это актуальный предмет учения о геосистемах. Такого рода динамика, хотя и проявляется при спонтанном развитии природы, но чаще всего представляет собой следствие влияния человека на окружающую среду. Она способствует всем его мероприятиям, в частности, по освоению местности и разработки природных ресурсов. Поэтому прогноз направлений текущей динамики является необходимым условием всякого рационального природопользования.

Географический прогноз касается только природной среды человека. Социально-экономический прогноз строится на других основаниях, хотя также с учетом динамики природной среды. С другой стороны, экономические и социальные мотивы учитываются и при географическом прогнозировании, но только с токи зрения воздействия их на природу. Этого вполне достаточно, так как помимо разработки собственно географического прогноза географ участвует в составлении социально-экономического прогноза, в частности касающегося перспектив развития территориально-производственных систем.

Некоторые понятия прогностики. В работе используется терминология общей прогностики, разработанная Комитетом научно-технической терминологии АН СССР (Звонкова, 187).

Цель и объект прогнозирования. Процесс прогнозирования начинается с определения его цели и объекта, так как именно они определяют тип прогноза, содержание и набор методов прогнозирования, его временные и пространственные параметры. Цели и объекты прогнозирования могут быть очень разными. В настоящее время главной, наиболее актуальной и очень ответственной целью географического прогнозирования является предвидение того состояния природной среды, в которой будет обитать человек. При этом цель заключается не только в прогнозировании состояния воздуха, воды и почвы, но в целом географической среды, ее природы и хозяйства.

При выборе объекта прогноза можно использовать классификацию, которая основана на следующих шести признаках (Звонкова, 1987).

Природа объекта прогноза. Географический прогноз, привязанный к определенному региону, чаще всего соприкасается с другими объектами прогноза разных природных свойств.

Масштабность объекта прогноза: сублокальные, с числом значащих переменных от 1 до 3, локальные (от 4 до 14), субглобальные (от 15 до 35), глобальные (от 36 до 100), суперглобальные (более 100 значащих переменных). В географии имеют место объекты всех масштабов.

Сложность объекта прогнозирования, определяемая разнообразием его элементов, числом значащих переменных и характером связей между ними. По этим признакам можно выделить объекты: сверхпростые, в которых переменные существенно не связаны друг с другом; простые — парные взаимосвязи между переменными; сложные — взаимосвязи между тремя переменными и более; сверхсложные, при изучении которых учитываются взаимосвязи между всеми переменными. В географическом прогнозировании исследователь чаще всего имеет дело со сверх сложными объектами.

Степень детерминированности: детерминированные объекты, в которых случайная составляющая несущественна и ею можно пренебречь; стохастические объекты, при описании которых необходим учет их случайной составляющей; смешанные объекты с детерминированными и стохастическими характеристиками. Для географического прогнозирования прежде всего свойственны стохастические и смешанные характеристики объектов.

Характер развития во времени: дискретные объекты, регулярная составляющая (тренд) которых изменяется скачками в фиксированные моменты времени, тренд — аналитическое или географическое представление об изменении переменной во времени. Апериодические объекты, регулярная составляющая которых описывается апериодической непрерывной функцией времен; циклические объекты, имеющие регулярную составляющую в виде периодической функции времени. В географическом прогнозировании используются все виды развития объекта во времени.

Степень информационной обеспеченности, определяемая полнотой имеющихся качественной или количественной ретроспективой информации об объектах прогноза. В географическом прогнозировании исследователь имеет дело с объектами, обеспеченными преимущественно качественной информацией об их прошлом развитии. Это особенно относится к природной составляющей прогноза.

Основные операционные единицы прогнозирования. Все объекты прогнозирования изменяются во времени и пространстве. Поэтому время и пространство — главные операционные единицы прогнозирования. Какая из операционных единиц важнее? Некоторые географы считают главными принципами прогнозирования историко-генетический (Саушкин, 1976) и структурно-динамический (Сачава, 1974). Тем самым они отдают предпочтение временным аспектам прогнозирования. Действительно, проблема времени в общей прогностики является центральной проблемой, однако в географическом прогнозировании, имеющем дело с регионами, пространствами разных рангов, необходимо сочетание пространственных и временных аспектов.

Главная проблема географического прогнозирования. Географическое прогнозирование — это, как правило, решения комплекса проблем, составляющих часть предплановых разработок будущего плана. Но из многих проблем, прежде всего, надо выбрать главную и общую для географов проблему. Выбор такой проблемы должен основываться на следующих критериях (Звонков, 1987).

Соответствие проблемы современным общественным и научно-техническим потребностям.

Актуальности значения проблемы на большой период времени (25 – 30 лет и более).

Наличие научных предпосылок, в частности соответствующих методов решения проблемы.

Из перечисленных общих критериев следует, что главная задача состоит в географическом обосновании долгосрочного развития народного хозяйства в его региональном аспекте, а главная общая для географов научная проблема — предвидение изменений природной среды в естественных и техногенных условиях.

1.3.2. Методы физико-географического прогнозирования

В географических исследованиях широко используется общенаучные методы прогнозирования или непосредственно, или в специализированной интерпретации. Так, наиболее популярный в прогнозировании процесс экстраполяции составляет основу палеографического, ландшафтно-индикационного и метода ландшафтно-генетических рядов.

Метод ландшафтной индикации. Этот метод относительно хорошо разработан в геоботанической части и еще предостаточно используется в ландшафтно-географическом плане. Он основан на пространственно-временных корреляционных связей природных компонентов и комплексов и позволяет определять тенденции их развития и изменения в структуре. Индикаторами могут быть все природные компоненты и ландшафты, но значение компонентных индикаторов не универсально. Они могут хорошо работать в пределах одного и не работать в другом природном комплексе. В процессе экстраполяции ландшафт можно рассматривать также как фон, который во многом определяет пространственно-временные особенности нарушения его компонентов, обеспечивает учет однородности природных условий, особенно при выборе природных аналогов. Для решения прогностических задач такие исследования являются предварительными и необходимыми, они позволяют прогнозировать и экстраполировать изменения природных комплексов с учетом перспектив хозяйственного развития.

Одним из методических приемов ландшафтно-прогнозной индикации является анализ структурно-генетических рядов. Основной объект исследования — пространственные ряды природных комплексов в пределах трансекты — полосы, в которой они размещаются в том порядке, в каком сменяют друг друга в процессе развития. Очень хорошо прослеживается смена природных комплексов от современной дельты Амударьи к пустыне, где в генетическом ряду закономерно сменяют друг друга природные комплексы.

Показателями пространственно-временных тенденций изменения природных комплексов в пределах трансекты в данном случае служат: господство (встречаемость) определенных комплексов в общей структуре ландшафта; число элементов ряда, отражающих стадии непрерывных изменений природных комплексов; повторяемость комплексов в ряду. Чаще всего природные комплексы, входящие в структурно-генетические ряд, переходят друг в друга постепенно, что свойственно естественным природным комплексам. Размытые границы индицируют плавность процесса, а резкие — антропогенные нарушения.

Более детально для целей прогноза разработаны приемы использования экологических рядов растительности, которые отражают связи растительных сообществ с основными экологическими факторами. Составляют мелкомасштабные карты, на которых показывают территории, единые по общему направлению смен растительных сообществ в связи с изменением, например увлажнения, и крупномасштабные карты с показом наших пространственно- временных переходов от одного к другому растительному сообществу. Достоинство прогнозирования с использованием экологических и структурно- генетических рядов — непрерывность получаемой информации.

Одним из частных прогнозов индикационных методов оценки состояния природной среды и колебаний климата, не приводящих в настоящее время к коренным преобразованиям растительного покрова, является метод фенологических индикаторов. Сущность метода состоит в том, что периоды поступления прогнозируемых фенологических явлений определяются по предшествующим феноявлениям — индикаторам, коррелятивно связанным со временем прогнозируемого явления.

Палеогеографический метод. Этот метод в прогнозировании основан на экстраполяции тенденций из прошлого через настоящее в будущее. Этот метод применим в долгосрочном прогнозировании на больших и разнообразных по ландшафтной структуре территориях. Надежность метода определяется полнотой и непрерывностью палеогеографической информации, обеспечиваемой правильным выбором опорных резервов новейших отложений. Используя приемы палеогеографического анализа, можно получить прогностические данные об обратимости и необратимости природных процессов и ландшафтов (например, потепление — похолодание — вновь потепление и связанные с ним смены ландшафтов); ритмичности развития природных процессов; палеогеографических аналогах современных ландшафтов; об устойчивости ландшафтов при колебаниях климата; обратимости или необратимости развития ландшафтов при катастрофических природных явлениях; об общих тенденциях развития природной среды и событиях, их усиливающих или ослабляющих.

Для сверхсрочного и долгосрочного прогнозов восстанавливают развитие природной среды за время от нескольких десятков лет до тысячелетий и используют палеоботанические палеофаунистические методы, например метод спорово-пыльцевого анализа современных почв. Этот метод позволяет восстановить картину природы и фазы ее развития за время формирования современных почв.

Для определений прошлых тенденций развития ландшафта за более короткие сроки применяют палеогляциологический, депдрохронологический, лихенометрический методы.

Палеогляциологический метод основан на исследовании ледников — естественных аккумуляторов атмосферных осадков. По ним можно судить о естественном и антропогенном загрязнении среды за значительный период времени. Анализ содержания пыли в годовых слоях ледников позволяет также определять тенденции изменения в составе приземных слоев воздуха и прогнозировать по этим данным возможный ход развития естественного и антропогенного загрязнения атмосферы.

Депдрохронологический метод основан на измерении роста древесных пород с большим жизненным циклом, который отражает внутрисезонные и многолетние климатические изменения за несколько сотен лет. При этом изменяется главным образом радиальный прирост древостоя. Отражая динамику фитомассы лесных комплексов, он служит показателем их состояния.

По радикальным приростам могут устанавливаться эктраполяционные прогностические ритмы и тенденции развития природной среды. Например, для Дальнего Востока получены депдрохронологические ряды за последние 500 лет для кедра корейского, тиса остроконечного и деревьев других пород. Ряды отражают цикличность, близкую к цикличности солнечной активности, цикличность с длиной волны 5 – 6, 9 – 15, 20 – 28, 30 – 40, 80 – 100 лет.

Для прогнозирования на еще боле короткие сроки и небольшие площади можно использовать лихенометрический метод, который (как и депдрохропологический) не является собственно полеогеографическим методом. Этот метод основан на изучении лишайников (скорости их роста, размеров, проективного покрытия, видового разнообразия) испытывающих влияние загрязнителей.

Прогнозирование изменений природной среды в сфере воздействия крупных промышленных объектов (на примере КАТЭКа)

Прогнозирование изменений природной среды в сфере воздействия промышленных объектов по характеру и методам исследований может быть комплексным и отраслевым.

Комплексное прогнозирование подразумевает изучение сочетания промышленных объектов разных отраслей. Обычно оно связано с очень крупными промышленными узлами. Отраслевой подход основан на выделении из суммы промышленных объектов лишь одной отрасли и оценки ее воздействия на природную среду. Сильное воздействие на природную среду оказывают и будут оказывать предприятия черной и цветной металлургии, нефтехимии, электроэнергетики и другие.

До начала прогнозирования нужна информация о тенденциях развития природной среды, а также современном состоянии и планах развития хозяйства региона, в частности о размещении промышленных объектов, их будущих объемах, технологии и ее воздействии на природу. В большинстве случаев сложность размещения крупных промышленных предприятий определяется высокой материалоемкостью их производства, потребностью в энергии и воде, а также степенью экологичности и технологии. (Звонков Т. В., 19).

Между природными и промышленными блоками многих геотехнических систем главные связи осуществляются через воздушные и водные каналы, поэтому главные объекты прогнозирования это состояние воздуха и воды. Воздушные массы оказывают воздействие на ландшафт на расстояниях более 60 кмЮ водные — 30 км, водно-гравитационные (от лиламоотвалов) — на расстоянии в несколько километров. Колебания в радиусах воздействия определяются рядом факторов, в том числе природных, ослабляющих или усиливающих техногенные воздействия: морфометрия рельефа, наличие биохимического барьера, циркуляционные процессы в атмосфере, способность ландшафта к самоочистке и другое.

Количественные изменения в состоянии природной среды можно определить, установив размеры разнонарушенных площадей в границах промышленного воздействия. Обычно выделяют от двух до четырех зон, в пределах которых характер изменения природных комплексов определяется источником воздействия.

Один из актуальных объектов прогнозирования — воздействие на окружающую природную среду Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса (КАТЭКа). Этот крупнейший комплекс топливных и энергетических предприятий создается в экономически освоенной и заселенной части Восточной Сибири, вдоль ее главной магистрали (юг Красноярского края – запад Иркутской области). В районе КАТЭКа прогнозируется характер и размеры воздействия на природную среду крупных ГРЭС, угольных карьеров и других промышленных предприятий, причем прогноз дается на 20 – 30 лет вперед, то есть с учетом срока ввода в эксплуатацию основных объектов комплекса. Главными объектами прогнозирования являются изменения в состоянии водных ресурсов и загрязнения природной среды техногенными и тепловыми выбросами крупных ГРЭС, которые ежегодно будут сжигать десятки миллионов тонн угля. Исходя из масштабов промышленных предприятий, в районе КАТЭКа можно ожидать повышения температуры воды, увеличения испарения в водохранилищах — охладителях в 5 – 7 раз, эвтрофикацию озер и изменение ледово-термического режима водоемов. В воздух будет выбрасываться повышенное по сравнению с природным поступлением количество серы и золы, но оно может нейтрализоваться природно-подкисленными почвами и водами. Соединения серы будут переноситься на несколько сот километров к востоку и северо-востоку от промышленных предприятий КАТЭКа. Следует также отметить неизбежность изъятий под промышленную застройку части ценных земель, в связи с чем могут проявиться тенденции к изменению структуры сельскохозяйственного и рекреационного использования соседних территорий. Все это ставит вопрос не только о значительном усилении в районе КАТЭКа охраны природы, в частности контроля за ее состоянием по системе мониторинга, но и снижении на природу техногенных нагрузок (Волков, 1988).

Во всех случаях прогнозирования воздействия крупных промышленных объектов на природную среду проводится сопряженный анализ фоновой естественной морфологической структуры ландшафтов и функционирования их техногенных аналоговых модификаций.

1.3.4. Ландшафтно-геохимические аспекты прогнозирования состояний геосистем в условиях техногенного воздействия

Ландшафтно-геохимический прогноз, как часть ландшафтного, направлен на предсказание потенциально возможных (с учетом воздействия природных и антропогенных факторов) характеристик вещества геосистем. Его основным предметом служат изменение поведения вещества в геосистемах топологического и регионального уровней (Снытко, Семенов, Мартынов, 1984). Значимость ландшафтно-геохимического прогноза особенно повышается в предсказании поведения геосистем в условиях усиливающегося техногенного воздействия. Поэтому наибольшее внимание в геохимии ландшафтов уделяется прогнозированию изменений в количестве и составе веществ обусловленных антропогенным воздействием причем значительная роль отводится изучению устойчивости геосистем к техногенному загрязнению и способности их к самоочищению от продуктов техногенеза (Семенов, 1991).

Под устойчивостью геосистем понимается их способность к самоочищению (Глазовская, 1988), обусловленную скоростью трансформации техногенных веществ и выноса их за пределы геосистем. Во многом эта способность обеспечивается совместимостью природных и техногенных потоков вещества. Устойчивость геосистем определяется как способность природных образований к сохранению своей структуры и поведения или их восстановлению после нарушения внешними факторами, то есть способность к саморегуляции.

Ландшафтно-геохимический прогноз, который является частью ландшафтного, в то же время и часть геохимического прогноза. В принципе геохимический в любой отрасли естествознания имеет целью предсказания изменений химического состава объектов исследования.

Таким образом, предметом ландшафтно-геохимического прогноза (как части геохимического) является изменение поведения вещества, а объектом (как части ландшафтного прогноза) — геосистемы. Как и перед любым ландшафтным прогнозом, перед ландшафтно-геохимическим стоит задача выбора оптимального соотношения между жесткой охраной и разумным преобразованием геосистем (Исаченко, 1980). В большей части случаев, даже в условиях интенсивного воздействия техногенного фактора, природная составляющая геосистем преобладает над техногенной. Поэтому при прогнозировании, прежде всего, следует учитывать естественные изменения природной среды, связанные с развитием геосистем.

В ландшафтно-геохимическом прогнозировании природные особенности вещества геосистем рассматриваются как фон прогноза, на который техногенные факторы накладывают возмущения, приводящие к изменению вещественного баланса. Накопление этих изменений приводят к возникновению антропогенных производных геосистем, но геосистема — объект прогноза — по-прежнему остается природным образованием. Лишь в отдельных локусах природной среды возникает новый класс образований, в которых техногенные факторы довлеют над природными, — это образования Сачава (1978) предложил называть геотехническими системами, или контролируемыми геосистемами. Однако и антропогенные факторы опосредуются природными, в связи с чем создаваемые человеком сооружения связанные с ними компоненты природной среды в целом способны изменяться по законам природы (Исаченко, 1980). Поэтому даже при интенсивной антропогенизации геосистем основное внимание ландшафтоведов-геохимиков должны привлекать природные процессы.

Отправными моментами для ландшафтно-геохимического прогноза служат:

естественные эволюционные и динамические тенденции и закономерности;
планы социально-экономического развития, учитывающие прогресс техники.

Современный уровень знаний о природных процессах, неоднозначность планов и невозможность предсказания прогресса в технологиях обуславливают неоднозначность географического прогноза, приводящую его к многовариантности.

Ландшафтно-геохимический прогноз, обращаясь к устойчивости геосистем, напрямую смыкается с проблемой нормирования антропогенных нагрузок на геосистемы.

Нагрузка называется мера антропогенно-технического воздействия на ландшафт в форме изъятия, привнесения или перемещения веществ аи энергии, изменения пространственной структуры. Допустимой формой антропогенной нагрузки считается величина, при которой не происходит существенных нарушений свойств и функций ландшафта. Основной частью исследований по определению допустимых норм нагрузки является эксперимент, включающий обоснование и выбор объектов изучения, измерение нагрузки, определение зависимости состояния от нагрузки и разработка основ норм.

Ландшафтно-геохимическое нормирование антропогенных воздействий на природную среду должно базироваться на ландшафтно-динамической концепции учения о геосистемах.

Таким образом, разработка ландшафтно-геохимического прогноза и норм антропогенных нагрузок на геосистемы, нарду с детальным изучением естественного развития геосистем, требует использования специальных методов исследования, объединенных понятием “географический эксперимент”. Понятие эксперимента трактуется в научной, в том числе и географической, литературе неоднозначно.

Согласно БСЭ (1978) экспериментом называется “метод познания, при помощи которого в контролируемых и управляемых условиях исследуется явления действительности” (т. 30, с. 6). В Географическом энциклопедическом словаре (1988) указывается, что основной принцип экстремальных методов в физической географии заключается в наблюдении изменений, происходящих, в объекте, явление или процессе под воздействием факторов, интенсивность или продолжительность действия которых может меняться по желанию экспериментатора. По мнению Э. Неефа (1974), география не может проводить эксперименты методами точных наук.

В противоположность этим авторам существует точка зрения на эксперимент, значительно расширяющая его поле деятельности. Сачава (1969) считая что, в географии имеет право на существование самая широкая трактовка понятия “эксперимент”, объединяющая детальное изучение в природе географических явлений в количественно учитываемых условиях. По его мнению, “наблюдение за изменением в природе под влиянием какого-то фактора, регулируемого исследователем, — это один из возможных методов экспериментальной географии, использование которого во всех видах экспериментальных работ вовсе не обязательно” (Сачава, 1969).

С точки зрения таких авторов Семенов, Мамитко (1988); Семенов и другие (1987); Снытко и другие (1987, 1989), термин “эксперимент” можно сравнивать с такими исследованием процессов в геосистемах, когда экспериментатор может по своему усмотрению задавать один из параметров.

Сам процесс получения данных в полевых и лабораторных условиях с принудительным изменением характера и степени воздействия одного из факторов можно назвать экспериментальным моделированием. В последнее время методы активных полевых и лабораторных экспериментов, позволяющие в достаточно короткие сроки получить информацию о характере и направленности геохимических процессов путем изменения отдельных параметров, получили широкое распространение.